Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) КОСМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА «ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ» РЕФЕРАТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ: «Технология приборостроения» НА ТЕМУ: «Субтрактивные технологии печатных плат» Студенты К2-61Б: Куракин В. А., Красильникова Т.Д., Шагинов Д.Ю. _________________ (Подпись, дата) Руководитель Знаменская Т. Д. _________________ (Подпись, дата) Мытищи 2022 г. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 3 1 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ............................................................................................... 5 1.1 Основные понятия и терминология печатных плат ........................................... 5 1.2 Методы изготовления печатных плат ............................................................... 10 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................ 15 ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................... 16 ВВЕДЕНИЕ Печатная плата составляет основу любого электронного изделия, входя в состав компьютеров, сотовых телефонов и военной техники. Появившись более 100 лет назад, это маленькое устройство ознаменовало огромный скачок в развитии радиоэлектронной аппаратуры. В России одним из крупнейших производителей современных плат является КРЭТ. Считается, что прообраз всех видов печатных плат был создан немецким инженером Альбертом Хансоном. Еще в начале прошлого столетия он предложил формировать рисунок печатной платы на медной фольге вырезанием или штамповкой. Элементы рисунка приклеивались к диэлектрику, которым служила пропарафиненная бумага. Таким образом, «днем рождения» печатных плат считается 1902 год, когда Хансон подал свою заявку в патентное ведомство. За более чем столетие конструкции и технологии изготовления печатных плат постоянно совершенствовались. В их эволюции принимало участие большое множество изобретателей, в числе которых и всемирно известный Томас Эдисон. В свое время он предложил формировать токопроводящий рисунок посредством адгезивного материала, содержащего графитовый или бронзовый порошки. И хотя Эдисон даже не употреблял термина «печатные платы», многие его идеи применяются при их создании и в наши дни. Первые печатные платы, созданные в 1920-х годах, были сделаны из таких материалов, как бакелит, мазонит, а также слоистого картона и даже тонких деревянных досок. В материале просверливались отверстия, а затем «провода» из плоской латуни привинчивались к плате. Причем иногда для этого использовались даже небольшие гайки и болты. Такие печатные платы были использованы в первых радио и граммофонах. В своем современном виде печатная плата появилась благодаря использованию технологий полиграфической промышленности. И своим названием она обязана полиграфии: печатная плата – прямой перевод с английского полиграфического термина printing plate. Поэтому подлинным «отцом печатных плат» считается австрийский инженер Пауль Эйслер, который первым пришел к выводу, что технологии полиграфии могут быть использованы для серийного производства печатных плат. В СССР одной из первых подобных разработок в 1953-м году был радиоприемник «Дорожный», выполненный в виде небольшого чемодана, в котором помещалась одна печатная плата. Конечно, по сравнению с современными, эта печатная плата была весьма примитивной: несколько широких проводников (4-5 мм) с пилообразными кромками, расположенных на обеих сторонах платы, соединялись через металлизированные отверстия. А уже в 1954-м году с применением печатных плат началось производство советского телевизора «Старт». Сегодня печатные платы практически не имеют конкуренции в качестве основы электронной аппаратуры, входя в состав компьютеров, сотовых телефонов и военной техники. 1 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1.1 Основные понятия и терминология печатных плат Печатная плата — пластинка из электроизоляционного материала (гетинакса, текстолита, стеклотекстолита и других подобных диэлектриков), на поверхности которой каким-либо образом нанесены тонкие электропроводящие полоски (печатные проводники) с контактными площадками для подсоединения навесных радиоэлементов, в том числе модулей и интегральных схем. Под печатной платой понимается конструкция фиксированных электрических межсоединений на изоляционном основании. Печатная плата или плата, представляет собой пластину или панель состоящую из одного или двух проводящих рисунков, расположенных на поверхности диэлектрического основания, или из системы проводящих рисунков, расположенных в объеме и на поверхности диэлектрического основания, соединенных между собой в соответствии с принципиальной электрической схемой, предназначенной для электрического соединения и механического крепления устанавливаемых на ней изделий электронной техники, квантовой электроники и электротехнических изделий пассивных и активных электронных компонентов. Рисунок 1 – Печатная плата. Самый простой печатной платой является плата, которая содержит медные проводники на одной из сторон печатной платы и связывает элементы проводящего рисунка только на одной из ее поверхностей. Такие платы известны как однослойные печатной платы или односторонние печатные платы (сокращенно - ОПП). На сегодняшний день, самые популярные в производстве и наиболее распространенные печатные платы, которые содержат два слоя, то есть, содержащие проводящий рисунок с обеих сторон платы – двухсторонние (двухслойные) печатные платы (сокращённо ДПП). Для соединения проводников между слоями используются сквозные монтажные и переходные металлизированные отверстия. Тем не менее, в зависимости от физической сложности конструкции печатной платы, когда разводка проводников на двухсторонней плате становится слишком сложной, на производстве заказывается многослойные печатные платы (сокращённо МПП), где проводящий рисунок формируется не только на двух внешних сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. В зависимости от сложности, многослойные печатные платы могут быть изготовлены из 4,6, ….24 или более слоев. Технические характеристики Чтобы иметь общее представление о возможностях, конструкции, предназначении оснований для создания электроники, необходимо знать их технические характеристики: тип — многослойные, однослойные, гибкие, жёсткие; проводящие слои — до 18 штук; максимальные габариты — для многослойных 610х470 мм, односторонние 1200х457 мм, гибкие 5000х340 мм; максимальная плотность — 3,2 мм; ширина токопроводящих дорожек — от 25 до 75 мкм; максимальная плотность наружных слоёв фольги — 400 мкм; максимальная плотность внутренних слоёв фольги — 105 мкм; допустимый диаметр для сверления — 6.35 мм. Существует несколько видов финишных покрытий, которые выбираются зависимо от предназначения основания, требуемых характеристик. К ним относятся: лужение свинцом; лужение без свинца; иммерсионное серебро; органическое покрытие; иммерсионное золочение; иммерсионное олово. Контакты покрываются гальваническим золотом. Основания для изготовления электроники разделяются на несколько видов. Виды печатных плат Они отличаются по конструкции, характеристикам, предназначению. Разновидности плат: 1. Односторонние — конструкции представляющие собой диэлектрические пластинки, на которые с одной стороны нанесён токопроводящий рисунок. Для соединения отдельных контактов на верхнем диэлектрическом слое закрепляются металлические перемычки. Односторонние основания используются при изготовлении недорогой бытовой техники. Связано это с их малой надёжностью, недолговечностью, хрупкой конструкцией. 2. Двухсторонние — на диэлектрическим слое с двух сторон наносятся токопроводящие рисунки, что позволяет устанавливать на основание большее количество электрических элементов, расширить функционал, технические характеристики платы. Отверстия имеют металлизированные вставки. Благодаря им прочность скрепления отдельных деталей с основанием становится надёжнее. Двухсторонние пластинки считаются наиболее популярными при изготовлении бытовой электроники, компьютеров. 3. Однослойные — элементарная конструкция, состоящая из одной пластинки, прослойки покрытой металлом. 4. Многослойные — сложные конструкции, которые используются при изготовлении сложных приборов, механизмов. Несколько слоёв, расположенных в определённой последовательности, позволяют надёжно закреплять основные компоненты. Количество слоёв выбирается зависимо от требуемых характеристик. Максимальное количество — 40. У многослойных оснований есть ряд недостатков. Это сложности во время изготовления, сложный процесс починки, дороговизна расходных материалов. 5. Гибкие — могут быть односторонними, двухсторонними, иметь несколько слоев. Изготавливаются на гибком основании. Предназначены для соединения отдельных элементов электрического оборудования. Могут заменять собой кабеля. 6. Гибко-жесткие — конструкция представляет собой шлейф, на котором в определённых местах закрепляются жесткие пластинки, с нанесёнными на них токопроводящими рисунками. Используются для соединение жестких плат между собой. Обеспечивают надёжную связку. 7. Жёсткие — плитки, выполненные из жёстких слоев, которые не дают платам деформироваться. Простой пример жёсткого основания — материнская плата, устанавливаемая в компьютерах. 8. Теплопроводные — другие названия этих пластинок ВЧ, СВЧ. Во время изготовления основания используется керамика, чтобы оно выдерживало воздействие высоких температур. Дополнительно керамика повышает жёсткость конструкции. Зависимо от вида плат изменяются их характеристики, внешний вид, размер, возможности. Принципы выбора готовых плат: цены и производители Магазины радиоэлектроники предлагают покупателям широкий ассортимент печатных плат для изготовления электроники. При покупке важно учитывать некоторые факторы: 1. Размеры основания. Зависит от количества элементов, устанавливаемых на него. 2. Количество слоёв, используемых при изготовлении плитки. 3. Наличие металлических вставок на радиоэлементов. 4. Двухсторонний или односторонний рисунок. 5. Гибкое или жёсткое основание. отверстиях для закрепления Материалы для изготовления плат Существует несколько видов материалов, которые используют при изготовлении оснований для электроники: 1. Главная часть конструкции должна изготавливаться из диэлектрического материала. Это может быть стеклотекстолит, гетинакс. 2. Второй вариант изготовления плат — металлическое основание, на которое наносится диэлектрический слой. Чаще всего используется анодированный алюминий. 3. Для изготовления термоустойчивых оснований применяется фторопласт. Его дополнительно армируют стеклотканью. В состав добавляется керамика для повышения механических характеристик. 4. Чтобы сделать гибкую плитку, применяется каптон. 1.2 Методы изготовления печатных плат Основные технологические принципы изготовления печатных плат субтрактивный; аддитивный; полуаддитивный, сочетающий преимущества субтрактивного и аддитивного методов; комбинированный. Субтрактивный метод, в чистом виде, реализуется в производстве односторонних печатных плат, где присутствуют только процессы селективной защиты рисунка проводников и стравливания металла фольгированных диэлектриков с незащищенных мест. Схема стандартного субтрактивного (химического) метода изготовления односторонних печатных плат: вырубка заготовки; сверление отверстий; подготовка поверхности фольги (дезоксидация), устранение заусенцев; трафаретное нанесение кислотостойкой краски, закрывающей участки фольги, неподлежащие вытравливанию; травление открытых участков фольги; сушка платы; нанесение паяльной маски; горячее облуживание открытых монтажных участков припоем; нанесение маркировки; контроль. Преимуществами химических действий можно считать возможность максимальной автоматизации вышеописанной процедуры и высокую продуктивность при незначительных затратах. Среди недостатков первым следует выделить экологический фактор (немалые объемы отработанных вредных жидкостей). Также данная методика не может похвастаться безупречной плотностью сочленения связей. Вместо химического вытравливания зазоры между веществами, проводящими электрический ток, можно создавать путем механического воздействия (специальным режущим инструментом). Если речь идет об односторонних продуктах, то достаточно иметь в наличии один специализированный станок с программным управлением, который позволяет образовывать сквозные отверстия и пазы заданной глубины. Создание несквозных надрезов (скрайбирование) производится алмазными фрезами. Эта процедура должна быть тщательно отрегулирована, ведь даже незначительное отклонение ее параметров может привести к неточности ширины зазора. К плюсам способа относится небольшая капиталоемкость, отсутствие загрязнителей окружающей среды. Он хорош для изготовления экспериментальных образцов, но для массового производства лучше подобрать другой. Ведь плата создаётся дольше, и при этом стоимость ее дороже, чем с применением реагентов. После воздействия фрезы, пластины требуют защиты наружности от внешних факторов, поэтому ее покрывают раствором, пропиткой, которая не мешает ходу пайки или лаком после монтажа. Для того, чтобы ущерб, нанесённый диэлектрику, был минимальный, применяют лазеры, которые гравируют контуры проводников. Лазерный способ высокопродуктивный, но на данный момент очень дорогой для массового распространения. Подводя итог выделим плюсы: возможность полной автоматизации процесса изготовления; высокую производительность; низкую себестоимость. Подводя итог выделим минусы: низкая плотность компоновки связей; использование фольгированных материалов; наличие экологических проблем из-за образования больших объемов отработанных травильных растворов. Существует три распространенных «субтрактивных» метода изготовления печатных плат (методы, которые удаляют медь): Шелкография Используются устойчивые к травлению чернила для защиты поверхности медной фольги. Последующее травление удаляет ненужную медь. В качестве альтернативы чернила могут быть проводящими, напечатанными на пустой (непроводящей) плате. Метод также используется при изготовлении гибридных схем. Фотогравировка В данном случае используется фотошаблон и химическое травление для удаления медной фольги с подложки. Фотошаблон обычно готовится с помощью фотоплоттера на основе данных, полученных техническим специалистом с помощью CAM или автоматизированного производственного программного обеспечения. Прозрачные пленки с лазерной печатью обычно используются для фотоинструментов, однако для их замены с высоким разрешением используются методы прямого лазерного изображения. Фрезерование печатных плат Используется двух- или трехосная механическая фрезерная система для фрезерования медной фольги подложки. Фрезерный станок для печатных плат работает аналогично плоттеру, получая информацию от программного обеспечения, управляющего положением фрезерной головки по осям x, y (если это уместно) z. Данные для управления прототипом извлекаются из файлов, созданных в программном обеспечении для проектирования печатных плат и хранятся в формате файлов HPGL или Gerber. Аддитивные методы Эти методы предполагают использование нефольгированных диэлектрических оснований, на которые тем или другим способом, избирательно (там, где нужно) наносят токопроводящий рисунок. Разновидности метода определяются способами металлизации и избирательностью металлизации. Токопроводящие элементы рисунка можно создать: химическим восстановлением металлов на катализированных участках диэлектрического основания (толстослойная химическая металлизация); переносом рисунка, предварительно сформированного на металлическом листе на диэлектрическую подложку (метод переноса); нанесением токопроводящих красок или паст или другим способом печати; восстановительным вжиганием металлических паст в поверхность термостойкого диэлектрического основания из керамики и ей подобных материалов; вакуумным или ионно-плазменным напылением; выштамповыванием проводников. Избирательность осаждения металла можно обеспечить: фотолитографией (через фотошаблон) фоторезиста, закрывающего в нужных местах участки поверхности основания, не подлежащие металлизации (для метода толстослойной химической металлизации); через фотошаблон или сканирующим лучом катализатора, предварительно нанесенного на всю поверхность основания; трафаретной печатью (для паст и красок); масочной защитой. Полуаддитивные методы Полуаддитивные методы придуманы, чтобы избавиться от длительных и неустойчивых процессов толстослойной химической металлизации, заменив их на высокопроизводительные надежные электрохимические (гальванические) методы металлизации. Но для электрохимических методов металлизации электроизоляционных оснований нужен токопроводящий подслой. Его создают любым способом, удовлетворяющим требованиям по проводимости и прочности сцепления с подложкой: химическим осаждением тонкого слоя (до 1 мкм) металла. Процесс тонкослойной металлизации длится не более 15 мин и не требует высокой технологической надежности; вакуумным напылением металла, в том числе магнетронным; процессами газотермической металлизации; процессами термолиза металлоорганических соединений. Однако для полуаддитивных методов неприемлемы процессы прямой металлизации, так как их использование связано с большим расходом катализатора, и возникают проблемы удаления проводящего подслоя из пробельных мест. Комбинированные методы Комбинированные методы объединяют в себе все приемы изготовления печатных плат, необходимые для изготовления печатных проводников и металлизированных отверстий. Поэтому они называются комбинированными. В зависимости от последовательности операций формирования печатных проводников и металлизированных отверстий различают комбинированный позитивный метод (используются фотошаблоны — позитивы) (используются фотошаблоны — негативы). и комбинированный негативный ЗАКЛЮЧЕНИЕ Печатные платы широко применяются в бытовой технике, аппаратуре средств связи, вычислительной технике, в системах автоматизации, контрольно-измерительной аппаратуре, в медицинском приборостроении, в автомобильной промышленности, в других областях промышленной электронике, в авиационной, космической промышленности, в спецтехнике, в городском коммунальном хозяйстве (для средств контроля расхода воды, газа, электричества, топлива и пр., экологического контроля воды, воздуха, земли по радиационным, физическим, механическим и химическим параметрам). Выбор материалов велик, но, к сожалению, часто при изготовлении малых и средних серий печатных плат камнем преткновения становится наличие нужных материалов на складе завода - производителя ПП. Поэтому перед проектированием ПП, особенно если речь идет о создании нетиповой конструкции и применении нетиповых материалов, надо обязательно договориться с производителем об используемых в ПП материалах и толщинах слоев, а может быть, и заказать эти материалы заблаговременно. ЛИТЕРАТУРА 1. Печатные платы [Электронный ресурс].: https://pselectro.ru/articles/pecatnye(Дата platy-osnovnye-ponatia-i-terminologia-pecatnyh-plat-57594 обращение: 05.04.2022). 2. Печатные платы. Общие сведения [Электронный ресурс].: http://www.electrosad.ru/Electronics/PP.htm (Дата обращение: 07.04.2022). 3. Печатные платы. Классификация и самостоятельное изготовление [Электронный ресурс].: https://www.radioingener.ru/pechaynye_platy/ (Дата обращение: 07.04.2022). 4. Субтрактивный метод изготовления печатных плат [Электронный ресурс].: https://almaz-sp.su/pechatnye-platy/metody-izgotovlenija/ (Дата обращение: 08.04.2022). 5. Субтрактивные методы изготовления печатных плат [Электронный ресурс].: https://pcbdesigner.ru/sposobi-izgotovleniya-pechatnih-plat/subtraktivnye-metodyizgotovleniya-pechatnyx-plat.html (Дата обращение: 10.04.2022). 6. Субтрактивные методы изготовления печатных плат [Электронный ресурс].: https://saifontech.ru/blogs/metody-izgotovleniya-pechatnyh-plat 11.04.2022). (Дата обращение: