Placa de circuit imprimat ( în engleză printed circuit board, PCB , sau printed wiring board, PWB ) este o placă dielectrică , pe suprafața și/sau în volumul căreia se formează circuite conductoare electric ale unui circuit electronic . Placa de circuit imprimat este proiectată pentru conectarea electrică și mecanică a diferitelor componente electronice. Componentele electronice de pe o placă de circuit imprimat sunt conectate prin cablurile lor la elementele modelului conductiv, de obicei prin lipire .
Spre deosebire de montarea la suprafață , pe o placă de circuit imprimat, modelul conductiv electric este realizat din folie , amplasată în întregime pe o bază solidă izolatoare. Placa de circuit imprimat conține găuri de montare și plăcuțe pentru montarea componentelor pin sau plane. În plus, plăcile de circuite imprimate au canale pentru conectarea electrică a secțiunilor de folie situate pe diferite straturi ale plăcii. Din exterior, placa este de obicei acoperită cu un strat de protecție („mască de lipit”) și marcaje (o figură auxiliară și text conform documentației de proiectare).
În funcție de numărul de straturi cu un model conductiv electric, plăcile de circuite imprimate sunt împărțite în:
Pe măsură ce complexitatea dispozitivelor proiectate și densitatea de montare cresc, crește numărul de straturi de pe plăci [1] .
În funcție de proprietățile materialului de bază :
Plăcile cu circuite imprimate pot avea propriile caracteristici datorită scopului și cerințelor lor pentru condiții speciale de funcționare (de exemplu, interval extins de temperatură ) sau caracteristici de aplicație (de exemplu, plăci pentru dispozitive care funcționează la frecvențe înalte ).
Baza plăcii de circuit imprimat este un dielectric , cele mai des utilizate materiale sunt fibra de sticlă , getinaks .
De asemenea, baza plăcilor de circuite imprimate poate fi o bază metalică acoperită cu un dielectric (de exemplu, aluminiu anodizat ), piste de folie de cupru sunt aplicate peste dielectric. Astfel de plăci de circuite imprimate sunt utilizate în electronica de putere pentru îndepărtarea eficientă a căldurii din componentele electronice. Pentru a îmbunătăți și mai mult performanța termică, baza metalică a plăcii poate fi atașată la un radiator .
Ca material pentru plăcile de circuite imprimate care funcționează în intervalul de microunde și la temperaturi de până la 260 ° C, se utilizează fluoroplastic armat cu țesătură de sticlă (de exemplu, FAF-4D) [2] și ceramică . Aceste plăci au următoarele limitări:
Plăcile flexibile sunt fabricate din materiale poliimidă , cum ar fi Kapton .
Proiectarea plăcilor are loc în programe specializate de proiectare asistată de calculator . Cele mai cunoscute sunt PADS Professional , Xpedition , Altium Designer , P-CAD , OrCAD , TopoR , Specctra , Proteus , gEDA , KiCad etc. [4] Procesul de proiectare în sine în rusă este adesea numit cuvântul argotic wiring , adică procesul de pozarea conductoarelor.
În Rusia, există standarde pentru documentația de proiectare a plăcilor de circuite imprimate în cadrul Sistemului unificat pentru documentația de proiectare :
Alte standarde pentru plăcile de circuite imprimate:
Luați în considerare un proces tipic pentru proiectarea unei plăci de circuit imprimat conform unei scheme de circuite gata făcute: [5]
Producătorii de PCB-uri se confruntă adesea cu erori de proiectare neevidente ale inginerilor începători. Cele mai tipice greșeli [7] :
Producerea PP este posibilă printr-o metodă aditivă sau scădere. În metoda aditivă , un model conductiv este format pe un material nefolit prin placare chimică cu cupru printr-o mască de protecție aplicată anterior materialului. În metoda scădere, se formează un model conductiv pe un material folie prin îndepărtarea secțiunilor inutile ale foliei. În industria modernă, se folosește doar metoda scădere.
Întregul proces de fabricație a PCB-ului poate fi împărțit în patru etape:
Adesea, producția de plăci cu circuite imprimate este înțeleasă doar ca prelucrarea unei piese de prelucrat (material folie). O prelucrare tipică a unui material din folie constă în mai multe etape: găurirea căilor, obținerea unui model de conductori prin îndepărtarea excesului de folie de cupru, placarea găurilor, aplicarea straturilor de protecție și cositorizare și marcare. [8] Pentru plăcile cu circuite imprimate multistrat, se adaugă presarea plăcii finale din mai multe semifabricate.
Material foliat - o foaie plată de dielectric cu folie de cupru lipită de ea. De regulă, fibra de sticlă este folosită ca dielectric . În echipamentele vechi sau foarte ieftine, se folosește textolit pe bază de țesătură sau hârtie, denumit uneori getinax . Dispozitivele cu microunde folosesc polimeri care conțin fluor ( fluoroplastice ). Grosimea dielectricului este determinată de rezistența mecanică și electrică necesară, grosimea cea mai comună atât a plăcilor cu un singur strat, cât și a plăcilor multistrat este de aproximativ 1,5 mm; straturi dielectrice mai subtiri sunt folosite pentru placile multistrat.
O foaie continuă de folie de cupru este lipită pe dielectric pe una sau ambele părți. Grosimea foliei este determinată de curenții pentru care este proiectată placa. Folia cea mai utilizată este de 18 și 35 de microni grosime, 70, 105 și 140 de microni sunt mult mai puțin frecvente. Aceste valori se bazează pe grosimi standard de cupru din materialele importate, în care grosimea stratului de folie de cupru este calculată în uncii (oz) pe metru pătrat . 18 microni corespunde la ½ oz și 35 microni la 1 oz.
Plăci de circuite din aluminiuUn grup separat de materiale sunt plăcile cu circuite imprimate din metal din aluminiu . Plăcile din aluminiu sunt adesea folosite atunci când este necesar să conducă căldura prin suprafața plăcii, cum ar fi în corpurile LED . Ele pot fi împărțite în două grupe.
Primul grup - soluții sub formă de tablă de aluminiu cu o suprafață oxidată de înaltă calitate, pe care este lipită folie de cupru . Astfel de plăci nu pot fi găurite, așa că de obicei sunt făcute doar cu o singură față. Prelucrarea unor astfel de materiale din folie se realizează conform tehnologiilor tradiționale de desen chimic. Uneori, în loc de aluminiu, se folosește cupru sau oțel, laminat cu un izolator subțire și folie. Cuprul are o conductivitate termică ridicată, placa din oțel inoxidabil oferă rezistență la coroziune. [9]
Al doilea grup implică crearea unui model conductiv direct în baza de aluminiu. În acest scop, foaia de aluminiu este oxidată nu numai pe suprafață, ci și pe toată adâncimea bazei, conform modelului regiunilor conductoare specificate de masca foto. [10] [11]
La fabricarea plăcilor se folosesc metode chimice, electrolitice sau mecanice pentru a reproduce modelul conductor necesar, precum și combinațiile acestora.
Metodă chimicăMetoda chimică de fabricare a plăcilor cu circuite imprimate din material folie finit constă în două etape principale: aplicarea unui strat protector pe folie și gravarea zonelor neprotejate prin metode chimice.
În industrie, un strat protector este aplicat prin fotolitografie folosind un fotorezistent sensibil la ultraviolete , o mască foto și o sursă de lumină ultravioletă. Fotorezistul acoperă complet cuprul foliei, după care modelul de urme de pe fotomască este transferat pe fotorezist prin iluminare. Fotorezistul expus este spălat, expunând folia de cupru pentru gravare, în timp ce fotorezistul neexpus este fixat pe folie, protejându-l de gravare.
Fotorezistul poate fi lichid sau film. Fotorezistul lichid se aplică în condiții industriale, deoarece este sensibil la nerespectarea tehnologiei de aplicare. Filmul fotorezistent este popular pentru plăcile realizate manual, dar este mai scump. O fotomască este un material transparent UV, cu un model de urmărire imprimat pe el. După expunere, fotorezistul este dezvoltat și fixat ca într-un proces fotochimic convențional.
În condiții de amatori, un strat protector sub formă de lac sau vopsea poate fi aplicat prin serigrafie sau manual. Pentru a forma o mască de gravare pe o folie, radioamatorii folosesc transferul de toner dintr-o imagine imprimată pe o imprimantă laser („ tehnologie de călcat cu laser ”).
Gravarea foliei este procesul chimic de transformare a cuprului în compuși solubili. Folia neprotejată este gravată, cel mai adesea, într-o soluție de clorură ferică sau într-o soluție de alte substanțe chimice, precum sulfat de cupru , persulfat de amoniu , clorură de cupru amoniac, sulfat de cupru amoniac, pe bază de cloriți , pe bază de anhidridă cromică [12] . Când se utilizează clorură ferică, procesul de gravare a plăcii se desfășoară după cum urmează: FeCl 3 + Cu → FeCl 2 + CuCl. Concentrația tipică a soluției 400 g/l, temperatură până la 35 °C. Când se utilizează persulfat de amoniu, procesul de gravare a plăcii se desfășoară după cum urmează: (NH 4 ) 2 S 2 O 8 + Cu → (NH 4 ) 2 SO 4 + CuSO 4 [12] .
După gravare, modelul de protecție este îndepărtat de pe folie.
Metoda mecanicăMetoda mecanică de fabricație implică utilizarea mașinilor de frezat și gravat sau a altor unelte pentru îndepărtarea mecanică a stratului de folie din zonele specificate.
Gravura cu laserPână de curând, gravarea cu laser a plăcilor cu circuite imprimate nu a fost larg răspândită datorită proprietăților bune de reflectare a cuprului la lungimea de undă a celor mai comune lasere cu gaz CO de mare putere. În legătură cu progresul în domeniul ingineriei laser, au început să apară acum instalații de prototipare industrială bazate pe lasere. [13]
Placarea orificiilorOrificiile de prindere și de montare pot fi găurite, perforate mecanic (în materiale moi, cum ar fi getinaks) sau arse cu laser (vias foarte subțiri). Placarea găurilor se face de obicei chimic sau, mai rar, mecanic.
Placarea mecanică a găurilor se realizează cu nituri speciale, bucăți de sârmă lipite sau prin umplerea găurii cu adeziv conductiv (pastă de întărire). Metoda mecanică este costisitoare în producție și, prin urmare, este utilizată extrem de rar, de obicei în soluții de piese extrem de fiabile, echipamente speciale de curent ridicat sau condiții de radio amator cu un design de piesă.
În metalizarea chimică, găurile sunt mai întâi găurite într-un semifabricat de folie, apoi sunt metalizate prin depunere de cupru și abia apoi folia este gravată pentru a obține un model de imprimare. Placarea chimică a găurilor este un proces complex în mai multe etape, sensibil la calitatea reactivilor și la conformitatea cu tehnologia. Prin urmare, practic nu este folosit în condiții de radio amator. Simplificat, acesta constă din următorii pași:
Plăcile multistrat (cu mai mult de 2 straturi de conductori) sunt asamblate dintr-un teanc de plăci subțiri de circuit imprimat cu două sau un strat realizate în mod tradițional (cu excepția straturilor exterioare ale pachetului - rămân cu folia intactă la această etapă). Sunt asamblate ca un „sandwich” cu garnituri speciale ( preimpregnate ). În continuare, se efectuează presarea în cuptor, găurirea și placarea viilor. În cele din urmă, folia straturilor exterioare este gravată. [1] Deoarece grosimea cuprului din straturile exterioare crește cu cantitatea de cupru depus galvanic în timpul prin placare, acest lucru impune restricții suplimentare asupra lățimii pistelor și a golurilor dintre ele.
Prin găuri în astfel de plăci multistrat se pot face și înainte de presare. Dacă găurile sunt făcute înainte de presare, atunci este posibil să obțineți plăci cu așa-numitele găuri „surde” și „oarbe” (când există o gaură într-un singur strat al „sandvișului”), ceea ce face posibilă compactarea layout-ul pentru plăci complexe. Costul de producție în aceste cazuri crește semnificativ, ceea ce necesită un compromis rezonabil în proiectarea unor astfel de plăci.
AcoperireAcoperirile posibile sunt:
După montarea plăcilor cu circuite imprimate, este posibil să se aplice straturi de protecție suplimentare care protejează atât placa în sine, cât și lipirea și componentele.
PrelucrareMulte plăci individuale sunt adesea plasate pe o foaie goală. Ei trec prin întregul proces de prelucrare a unui semifabricat de folie ca o singură placă și abia la sfârșit sunt pregătiți pentru separare. Dacă plăcile sunt dreptunghiulare, atunci sunt frezate caneluri care nu trec, care facilitează ruperea ulterioară a plăcilor (scriere, de la scribul englezesc la zgârietură). Dacă plăcile sunt de formă complexă, atunci se face prin frezare, lăsând punți înguste pentru ca plăcile să nu se prăbușească. Pentru plăcile fără placare, în loc de frezare, se forează uneori o serie de găuri cu pas mic. În această etapă are loc și găurirea găurilor de montare (neplacate).
Vezi și: GOST 23665-79 Plăci cu circuite imprimate. Prelucrarea conturului. Cerințe pentru procesele tehnologice standard.
Conform unui proces tehnic tipic, separarea plăcilor de piesa de prelucrat are loc după instalarea componentelor.
Lipirea este metoda principală de montare a componentelor pe plăci de circuite imprimate. Lipirea se poate face fie manual cu un fier de lipit, fie cu ajutorul tehnologiilor de lipit de grup special dezvoltate.
Instalarea componentelorInstalarea componentelor poate fi efectuată atât manual, cât și pe instalatori speciali automati. Instalarea automată reduce șansa de eroare și accelerează foarte mult procesul (cele mai bune instalații automate instalează mai multe componente pe secundă).
Lipire prin valMetoda principală de lipire automată în grup pentru componentele plumb. Cu ajutorul activatorilor mecanici, se creează un val lung de lipire topită. Placa este trecută peste val, astfel încât valul abia atinge suprafața inferioară a plăcii. În acest caz, cablurile componentelor de ieșire preinstalate sunt umezite de val și lipite pe placă. Fluxul se aplică pe placă cu o ștampilă de burete.
Lipirea în cuptoareMetoda principală de lipire în grup a componentelor plane. O pastă specială de lipit (pulbere de lipit într-un flux pastos) este aplicată pe plăcuțele de contact ale plăcii de circuit imprimat printr-un șablon . Apoi sunt instalate componentele plane. Placa cu componentele instalate este apoi introdusă într-un cuptor special unde fluxul de pastă de lipit este activat și pulberea de lipit se topește pentru a lipi componenta.
Dacă o astfel de instalare a componentelor se efectuează pe ambele părți, atunci placa este supusă acestei proceduri de două ori - separat pentru fiecare parte a instalării. Componentele plane grele sunt montate pe picături de adeziv care le împiedică să cadă de pe placa răsturnată în timpul celei de-a doua lipiri. Componentele ușoare sunt ținute pe placă de tensiunea superficială a lipitului.
După lipire, placa este tratată cu solvenți pentru a îndepărta reziduurile de flux și alți contaminanți sau, atunci când se utilizează pastă de lipit fără curățare, placa este imediat gata pentru anumite condiții de operare.
FinisajeDupă lipire, placa de circuit imprimat cu componente este acoperită cu compuși de protecție: hidrofuge, lacuri (de exemplu, UR-231 ), mijloace de protecție a contactelor deschise. În unele cazuri, pentru funcționarea plăcii în condiții de vibrații puternice, placa poate fi înglobată complet într-un compus asemănător cauciucului.
Pentru producția industrială în masă a plăcilor cu circuite imprimate, au fost dezvoltate metode automate de control al calității.
La verificarea corectitudinii legăturilor de teren se verifică conexiunile electrice pentru lipsa întreruperilor sau scurtcircuitelor între ele.
La controlul calității instalării componentelor electronice, se folosesc metode de control optic . Controlul optic al calității montajului se realizează folosind standuri specializate cu camere video de înaltă rezoluție. Standurile sunt construite în linia de producție în următoarele etape:
Substraturile hibride IC sunt ceva similar cu o placă de circuit imprimat ceramică, dar de obicei folosesc alte procese de fabricație:
Carcasele ceramice ale microcircuitelor electronice și alte componente sunt, de asemenea, realizate folosind tehnologii hibride de microcircuite.
Tastaturile cu membrană sunt adesea realizate pe filme prin serigrafie și sinterizare cu paste metalizate fuzibile.