Необходимые знания разработчику о производстве

(Карманный справочник. Часть 1)

11 января 2024 года

Конструктору-разработчику необходимо рабочее понимание двух ключевых производственных процессов: основные операции по изготовлению печатной платы (ПП) и практику сборочного процесса. Для производства ПП число требуемых переходов для изготовления плат связано с их сложностью. Повышение сложности производства плат приравнено к увеличению стоимости. В разработке любого вида электронной продукции конструктор должен использовать установленные производственные принципы DFM (Design for Manufacturing). Фактически, DFM всегда должны быть целью инженера-конструктора. Принципы сопровождает широкий ряд дисциплин, необходимых к рассмотрению на любой фазе разработки любой продукции.

Критичные элементы принципов DFM включают:

• DFF (Design for fabrication efficiency) — разработку для эффективности производства;
• DFT (Design to enable electrical test) — разработку возможности проведения электроконтроля;
• DFA (Design for assembly processing) — разработку для процесса сборки;
• DFR (Design for end product reliability) — разработку для надёжности конечной продукции.

Предвидение производства платzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Печатные платы могут быть как простыми: односторонними или двусторонними с медным фольгированием, так и — с более сложным, многослойным конструктивом. В используемых процессах производства будут использоваться общеизвестные, те же базовые материалы, но производственная обработка может отличаться у разных производителей. Хотя многие изготовители ПП используют подобные химикаты и установки обработки, может быть существенное отличие в управлении и контроле процессов.

Есть четыре первичных материала для производства ПП:

• Подложка. Первый и наиболее важный базовый материал, обычно изготавливаемый из тканного стекловолокна для армирования и эпоксида. Этот материал используется для большинства ПП, поскольку обеспечивает физическую стабильность диэлектрика для межсоединений меди и монтажа компонентов.
• Слой меди. В зависимости от базового материала подложки электропроводящим слоем будет медная фольга, нанесённая на одну или обе поверхности диэлектрической сердцевины.
• Защитная маска от припоя. Наносится на внешние поверхности после получения рисунка схемы и химического травления. Полимерное покрытие защищает оголённую структуру медной схемы на поверхности печатной платы.
• Маркировка на поверхности. На стороне монтажа компонентов с помощью сеткографии или струйной печати формируются номера сборочных элементов, обозначаются места, содержание материала и отсылка на компонент.

Инженеры- конструкторы плат должны также учитывать и некоторые, определяющие критерии: сведение к минимуму ненужной сложности, использовать наиболее подходящие базовые материалы и руководствоваться улучшенным конструированием, благоприятствующим процессу сборки-монтажа. Цель заключается в создании конечной продукции, имеющей задуманные характеристики, с покрытиями, надёжно служащими по всему сроку службы изделий.

Рассмотрение сложности схемыzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Когда рассматривается сложность конструктива платы, сразу оценивается площадь под компоненты и соотношение с платой. Несложная схема может располагаться на одной или двух сторонах медного рисунка, а площадь под компоненты и платы не всегда соблюдаться. Разводка проводников следует за размещением компонентов. Заранее необходимо задать величину зазора: расстояние до площадок отверстий, микроотверстий и/или площадок размещения компонентов. Расстояние между площадкой поверхностного монтажа и площадками отверстий рассматривают как «ширину канала». Ширина канала для проведения активных и размещённых в решётке полупроводников рассчитывается математически, используя шаг выводов (расстояние от центра до центра вывода) и размер изображения площадки. Это позволяет провести максимальное число проводников в канале. Расстояние между проводниками схемы необходимо рассматривать как задаваемый минимальный зазор для производственников, адгезии припойной маски, особенностей рисунка площадки, площадок сквозных отверстий и для других фиксированных элементов на плате.

Узкие проводники, проведённые параллельно, могут отстоять друг от друга на ширину проводника; однако, более широкое расположение проводников питания и заземления потребует большей площади между соседними проводниками. В таблице 1 показаны три уровня сложности при разводке схемы.

Ширина проводников, служащих для питания и заземления, увеличивается в соответствии с уровнем проходящего по ним тока. Наилучшие рекомендации для ширины проводников и толщины меди приведены в стандарте IPC-2152 «Standard for Determining Current-Carrying Capacity in Printed Board Design».

Когда площадь поверхности для размещения компонентов ограничена, то можно использовать многослойность или последовательное наслоение при производстве ПП для улучшения разводки силовой и схемы заземления.

Таблица 1. Фактор сложности в зависимости от ширины проводников и зазоров

Выбор базового материалаzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Изготовители ПП и поставщики материалов плат отработали вместе, создав ряд стандартных документов, чтобы снять недопонимание между производителями и поставщиками, облегчая взаимообмен и улучшая конечный продукт. Стандарты позволили производителю зафиксировать их процессы, удовлетворяющие критериям качества и надёжности, определённые компанией заказчика. Например, стандарт IPC-4101 сфокусирован на материалах для производства ПП — «Specification for Base Materials for Rigid and Multilayer Printed Boards». Этот документ подготовлен и поддерживается компаниями, членами IPC.

Стандарт IPC содержит требования как для подложек, так и — препрегов базового материала, используемых преимущественно для жёстких и многослойных ПП.

• Ключевые разделы охватывают:
• Размерную стабильность и прочность на изгиб;
• Коэффициент теплового расширения (CTE);
• Пределы теплового расширения по оси Z;
• Температуру стеклования (Tg);
• Теплопроводность и уровень огнестойкости.

В конце стандарта IPC-4101 приведена серия детальных спецификаций с основными требованиями для подложек и препрегов. Листы спецификаций подразделены по типу армирования, смолы и/или по конструктиву. Каждый вариант пронумерован и включает прочность на отрыв медной фольги, сопротивление диэлектрика, влагостойкость, потенциальное влагонасыщение и максимальный уровень напряжения пробоя диэлектрика (kV).

Листовой препрег добавляется, когда формируются (надстраиваются) дополнительные схемные слои на незаконченную в обработке подложку или сердцевину платы. Препрег — тонкое стекловолокно, пропитанное производителем диэлектрического материала связующей смолой в частично отверждённом состоянии (В-стадия или полуотвеждённая). При подготовке к скреплению слоёв ПП материал препрега в В-стадии помещается между жёсткими подложками материала или ка показано на рисунке 1 — между фольгированной медью основой и последующими слоями медной фольги. Для скрепления слоёв в МПП используются специальные прессы с нагревом и давлением.

Рис. 1 Наслаивание 4-слойной МПП

FR-4 стеклоэпоксидный материалzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Это семейство стеклонаполненных материалов разработано для производства ПП и стало (продолжает быть) рабочей лошадкой технологии межсоединений. Материалы широкодоступны, очень разнообразны и приспособлены к выполнению различных функций продукции или применения: ручной работы, от портативной электронной продукции до крупноформатных многослойных ПП. Диэлектрик подразумевается, как термореактивный пластик высокого давления, в форме пластин, в строгом соответствии прочности к весу, с хорошей стойкостью к большинству окружающих условий.

• Температура стеклования (Tg): 150−200ºС;
• Поверхностное сопротивление изоляции: 104 МОм (минимум);
• Пробой диэлектрика: 40 кВ (минимум).

Эти атрибуты, наряду с хорошей обрабатываемостью, создали прекрасный выбор для разнообразных электрических и механических применений, сохраняя высокие механические значения и качество электрической изоляции как в сухих, так и во влажных условиях. Хотя все стеклоэпоксидные подложки имеют подобные физические атрибуты, продукция из этих материалов часто различается в производстве и по требуемым характеристикам.

Примечание: сокращение «FR» — огнестойкость, обозначающая, что материал состоит из стеклоткани с пропиткой эпоксидом. Материал соответствует стандарту лаборатории «UL» — UL94V-0, определяется как композит стеклоткани и эпоксида, фольгированный медной фольгой с одной или двух сторон.

Бисмалеин/триазин (BT) эпоксидный материалzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Подложки ВТ — один из предпочтительных материалов для продукции, работающей в часто сменяемой окружающей среде, и идеален для полупроводниковой компоновки. При сравнении со стандартными эпоксидными системами смешивание ВТ с эпоксидом обеспечивает:

• увеличение тепловой и механической стабильности;
• улучшение электрических характеристик;
• повышенную температуру стеклования Tg (180ºС);
• пониженный коэффициент теплового расширения;
• улучшение электроизоляции при высокой влажности и температуры.

Полиимид (PI) / стеклянные подложкиzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Подложки на полиамидной основе состоят из высокопрочного и теплостойкого полимера, созданного полностью на полиамидной основе, пригодной для любой электронной компоновки с однозначными характеристиками. Тепловая стабильность полиамидного состава и армирование стекловолокном делают этот материал особо привлекательным для продукции, работающей при высоких температурах.

• Температура стеклования (Tg): 200ºС минимум;
• Поверхностное сопротивление: 6×104 МОм
• Пробой диэлектрика: 40 кВ.

Примечание: скорость насыщения влагой для PI материалов относительно высока по сравнению с композитами FR-4 и BT.

Материалы специального примененияzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Появились альтернативные диэлектрические составы, соответствующие техническим требованиям широкого диапазона специальных применений. Высокочастотные подложки, к примеру, более пригодны для сердцевин, так тефлон PTFE имеет более широкий ряд значений диэлектрической проницаемости Dk, чем FR-4. Композиты PTFE более дороги, чем стеклопластик, но более пригодны для высокочастотных применений, делая выбор таких подложек в случае изготовления радиочастотных ПП.

• Широкий диапазон диэлектрической постоянной Dk;
• Малое газовыделение (идеально для космоса);
• Улучшается контроль импеданса.

Сравнивая FR-4 и PTFE, последний с меньшей вероятностью подвергнется разрушению диэлектрика при эксплуатации в экстремальных условиях окружающей среды.

При выборе базовых материалов для печатной платы, конструктор должен рассматривать безопасность конечного продукта. Есть ряд ограничений на финишные покрытия и паяльные сплавы, содержащие свинец.

**************************

Компания «БалтМедиа Партнёр» участвует в индивидуальном решении заказчика при рассмотрении того, как правильно выбрать необходимое оборудование и эффективно выстроить производственные процесс, сопровождая его поставками расходных и базовых материалов. В рамках политики импортозамещения обеспечивается плавный переход к обеспечению от поставщиков «дружественных» стран, не нарушая сложившийся уклад российских производителей электроники.

Для совместной работы используется следующий контакт:

Санкт-Петербург, Таллиннское шоссе, д.206

Тел. +7 (921) 895−1422, +7 (921) 994−9502

Электронная почта: office@bmptek.ru https://bmptek.ru

Управляющий проекта — Алексей Леонов