Элементы конструирования печатных плат (стр. 2 из 8)

Многослойные печатные платы, изготовленные традиционным методами маталлизиции сквозных отверстий, плохо приспособлены к монтажу микросхем с матричными выводами с шагом менее 8,0 мм. И, в то же время, уже созданы корпуса микросхем типа CSP с шагом матричных выводов 0,508 мм и 0,254 мм. Для монтажа таких компонентов к МПП добавляются специальные слои с глухими металлизированными отверстиями, на которых реализуется разводка цепей из-под микрокорпусов или из-под бескорпусных кристаллов микросхем.

Такие тонкие дополнительные специализированные слои, напрессовываются на МПП, после чего в них выполняются глухие металлизированные отверстия. Поэтому этот метод за рубежом получил названием «напрессованная на поверхность схема». И, хотя в России для этого метода пока нет установившегося термина, можно видеть, что в нем соединены метод металлизации сквозных отверстий и метод послойного наращивания. Значит, ему можно присвоить длинное название – «МПП с послойным наращиванием внешних слоев» или «МПП с глухими отверстиями», пока в русской среде специалистов не установится более лаконичное название.

1.4 Количество выводов и степень интеграции микросхем

При монтаже кристаллов на подложку корпуса и корпуса на монтажную подложку или при непосредственном монтаже кристалла на плату неизбежно увеличиваются используемые для этого площади. Это вызвано необходимостью выделения определенного физического пространства для размещения выводов. А число выводов подчиняется общей тенденцией их увеличения с увеличением интеграции микросхем:

где я – количество выводов, q – коэффициент связности микроэлементов в структуре микросхемы, N – степень интеграции микросхемы, R – показатель Рента.

В противоположность степени интеграции, этот эффект называют степенью дезинтеграции, которая оценивается отношением плотности микроэлементов, отнесенной к монтажной площади на плате с их плотностью размещения на кристалле. Например, если кристалл процессора имеет размер 10x10 мм, а монтажное поле его корпуса на плате занимает площадь 4000 мм, такое конструктивное исполнение системы межсоединений характеризуется дезинтеграцией с числом 10. Эта цифрой оценивается матрица из 800 выводов. Периферийное расположение такого количества выводов с шагом 0,4 мм занимает монтажное поле площадью 8000 мм, значит степень дезинтеграции такого конструктивного исполнения – 100.

Нужно заметить, что степень дезинтеграции растет по мере возрастания иерархического уровня конструкции: кристалл – микросхема – печатный узел – модуль – блок – … Например, дезинтеграция в блоке может достигать цифры 100 тыс.

Очевидно, что степени интеграции и дезинтеграции должны соответствовать техническому уровню развития производства. При стремлении выполнить конструкцию на предельных возможностях производства, стоимость изделия станет неоправданно высокой из-за большого объема отходов на брак. Надежность таких конструкций также не будет гарантирована. Если же в производство поступит изделие, спроектированное по низким проектным нормам, т.е. с большой степенью дезинтеграции, его большая материалоемкость, низкая фондоотдача также пагубно скажется на его себестоимости.

2. Координатная сетка

Положение печатного рисунка на плате регламентируется условной координатной сеткой – ортогональной сеткой, состоящей из параллельных осям X-Y линий, условно или фактически нанесенных на чертеж печатной платы. Расстояние между двумя ближайшими параллельными линиями называют шагом координатной сетки. Точки пересечения линий координатной сетки называют узлами. Узлы координатной сетки предназначены для определения местоположения монтажных и переходных отверстий, контактных площадок для монтажа поверхностно-монтируемых компонентов. Поэтому шаг координатной сетки печатной платы должен строго соответствовать шагу выводов радиоэлементов.

В отечественной практике используют шаг основной координатной сетки 2,5 мм. По мере уплотнения печатного монтажа используют вспомогательные координатные сетки, шаг которых получают делением или умножением шага основной координатной сетки на 2». Таким образом, получают ряд мелких шагов вспомогательных сеток: 0,625; 0,3125 мм и дополнительных шагов, получаемых путем сложения разных шагов, например: 2,5+0,625=3,125 или 0,625+0,31,25=0,9375 мм.

Иногда возникает необходимость назначения координатной сетки печатных проводников с шагами, отличающимися от шага основной или вспомогательной координатной сетки. Например, в отдельных случаях для уравнивания изоляционных зазоров удобно принять шаг проводников, равный 0,5 мм.

Сейчас, при преимущественном использовании импортных компонентов с дюймовой метрической системой, повсеместно перешли на, так называемую, дюймовую сетку с шагом основной координатной сетки 2,54 мм. Однако и современные импортные компоненты с матричной системой выводов начинают приобретать шаги в метрической системе измерений. Поэтому нужно быть готовым к смешению систем измерений и простановки размеров. В этом случае, при переходе от дюймовой системы к метрической нужно проставлять размеры с округлением до знака, соответствующего допуску на проставляемый размер. Неправомерно, например, переводить дюймовый размер 1/8» в метрический, как 3,175 мм, если допуск на этот размер проставляется ±0,1 мм. Значение этого метрического размера нужно округлить до 3,2 мм.

3. Элементы проводящего рисунка

3.1 Печатные проводники

Размеры печатных проводников по длине и ширине выбираются с позиций обеспечения электрических требований по плотности тока, омическому сопротивлению, реализации специальных электрических параметров и механической устойчивости. С другой стороны, эти требования должны соответствовать разрешающей способности печатного рисунка. Последнее обстоятельство определяется принятым методом изготовления печатной платы и адгезионными свойствами базового материала.

Современные фоторезисты имеют достаточно высокую разрешающую способность, соизмеримую с толщиной фоторезиста. Лучшую разрешающую способность имеют жидкие позитивные фоторезисты: 25 линий на миллиметр. Сухие пленочные фоторезисты – 10…20 линий на миллиметр. Поэтому ограничения по минимальной ширине проводников возникают не на этапе получения фоторезистивного рисунка, а на технологических операциях изготовления металлического рисунка печатной схемы.

Негативному способу получения рисунка печатной схемы свойственно незначительное уменьшение ширины проводника в результате бокового подтравливания меди. Величина подтравливания обычно соизмерима с толщиной фольги и зависит от характера травящего раствора, способа и времени травления. При использовании тентинг-метода глубина травления складывается из толщин фольги и гальванического осаждения, поэтому воспроизводимость рисунка оказывается не лучше, чем 0,15/0,15 мм.

При позитивном методе изготовления печатных плат разрешающая способность несколько ухудшается за счет наличия гальванической пары: медь – металлорезист. Но глубина травления здесь меньше чем при тентинг-методе, но несколько больше, чем при химическом методе на толщину гальванической затяжки.

3.2 Металлизированные отверстия

Металлизированные отверстия выполняют роль монтажного элемента или межслойного соединения. Диаметры сквозных монтажных отверстий для выполнения нормальных условий пайки должны быть на 0,2…0,4 мм больше диаметра вывода радиоэлемента. Вместе с этим гальваническое покрытие получается удовлетворительным при определенном соотношении между диаметром отверстия и толщиной платы. Это соотношение связано с рассеивающей способностью электролитов и, отчасти, с режимами гальванического осаждения.

Переходные сквозные отверстия должны быть отделены от монтажных контактных площадок, чтобы предотвратить вытекание припоя с монтажных поверхностей.

Неглубокие глухие отверстия и тем более металлонаполненные глухие отверстия могут выполняться в монтажных контактных площадках.

В процессе эксплуатации ПП, в составе аппаратуры металлизация отверстий постоянно испытывает переменные во времени термомеханические напряжения, вызванные разностью в термическом расширении меди и диэлектрического основания. Устойчивость к термомеханическим нагрузкам обеспечивается соответствующей толщиной и пластичностью металлизации отверстий. ГОСТ 23752 устанавливает среднее значение толщины медной металлизации в отверстии 25 мкм при возможном минимальном значении 20 мкм. Это значение толщины металлизации установилось в процессе многолетней практики изготовления и эксплуатации ПП с отношением толщины ПП к диаметру отверстия 1…3. Действительно, анализ отказов металлизированных переходных отверстий, не заполненных припоем, показывает, что при толщине металлизации около 7 мкм отказ соединения неизбежно возникает, при толщине 15 мкм вероятность отказа примерно 0,9. И только толщина 20 мкм обеспечивает надежность соединений в течение длительного периода эксплуатации аппаратуры. Поэтому основное условие гарантий надежности соединений по металлизированному отверстию состоит в том, что толщина медного гальванопокрытия без дефектов не должна быть менее 20…25 мкм. Чтобы не допустить дефектов металлизации в виде незначительных не металлизированных участков, создающих очаги повышенной концентрации напряжений, толщину металлизации увеличивают до 30…35 мкм.

Металлизация монтажных отверстий участвует в теплопередаче в процессе пайки. Поэтому для удовлетворительного пропая, желательно, чтобы толщина металлизации была тем больше, чем глубже сквозное отверстие. Дефекты металлизации в виде кольцевых утончений или трещин неизбежно приводят к непропаю, так как создают заметные препятствия для теплопереноса.