Запись технических требований на чертеже платы
На чертеже печатной платы указывают ее габаритные размеры, ширину проводников, диаметры и координаты крепежных, технологических и других отверстий, не связанных с печатным монтажом.
На поле чертежа указывают:
· метод изготовления платы;
· технические условия, если не все данные содержатся на чертеже;
· шаг координатной сетки, ширину проводников и расстояние между ними;
· расстояние между контактными площадками; между контактными площадками и проводниками;
· допуски на выполнение проводников, отверстий, особенности конструкции и другие параметры печатной платы.
Технические требования размещают над основной надписью и формулируют и излагают в такой последовательности:
1. Плату изготовить……. методом.
2. Плата должна соответствовать ГОСТ…….
3. Шаг координатной сетки...... мм.
4. Конфигурацию проводников выдерживать по координатной сетке с отклонением от чертежа…... мм.
5. Допускается округление контактных площадок проводников.
6. Места, обведенные штриховыми линиями, проводниками не занимать.
7. Требования к параметрам элементов платы – согласно конструктивным данным.
8. Ширина проводников в свободных местах…… мм, в узких…… мм.
9. Расстояние между двумя проводниками, между двумя контактными площадками или проводником и контактной площадкой в свободных местах ….. мм, в узких….мм.
10. Форма контактных площадок произвольная.
11. Предельные отклонения расстояний между центрами отверстий в узких местах ±… мм, в свободных местах ±…. мм.
12. Предельные отклонения расстояний между центрами контактных площадок в группе ± мм.
13. Маркировка эмалью по ГОСТ……,шрифт…..
Изготовление оригиналов и фотошаблонов
Изготовление оригиналов
Оригинал рисунка печатной платы – это реальное изображение на основе чертежа технологического слоя платы, выполненное в увеличенном масштабе, обычно в позитивном изображении. При этом рисунок оригинала соответствует рисунку чертежа по степени почернения (проводники и контактные площадки черные, а пробелы белые).
Если на плате имеются экраны, занимающие большую площадь, то оригинал рисунка платы выполняют в негативном изображении (рисунок оригинала противоположен рисунку печатной платы по степени почернения).
Основными методами получения оригиналов являются черчение, наклеивание липкой ленты, резание по эмали и др.
Черчение оригинала печатной платы выполняют на специальной бумаге или малоусадочной пленке с предварительно нанесенной координатной сеткой с помощью сдвоенных рейсфедеров, плакатных перьев, лекал и др. Из-за высокой трудоемкости процесса, низкой точности изготовления оригинала (в пределах ±0,2 ...0,5 мм) этот способ используют редко.
Наклеивание липкой ленты (метод аппликации) значительно сокращает трудоемкость оригинала. При этом на прозрачную основу наносят центры отверстий и контактных площадок из калиброванных темных заготовок, а проводники получают приклеиванием непрозрачной липкой ленты. Метод обеспечивает совмещение оригинала и чертежа с точностью ± 0,2 мм; он рекомендуется для изготовления ОПП и ДПП простых по конструкции и с пониженной плотностью монтажа.
Наибольшую точность изготовления оригиналов (+0,05мм) обеспечивает метод вырезания по эмали. Для этого на прозрачную основу распылителем краски наносят равномерный слой черной эмали толщиной 30 ...50 мкм. После сушки заготовку устанавливают на универсально-растачивающих станках или на координатографах с ручным или программным управлением. Для резки эмали используют различные инструменты – пунктирные иглы, граверные резцы, рейсфедеры с алмазными наконечниками. Путем оптимального давления на инструментах добиваются удаления эмали на всю толщину слоя из светлых мест (для позитивного изображения). Для достижения более высокой точности оригинал выполняют в увеличенном (в 2-10 раз) масштабе.
Изготовление фотошаблонов
Фотошаблоны обеспечивают нанесение рисунка оригинала (или непосредственно чертежа) на поверхность заготовки печатной платы (метод фотопечати).
Фотошаблон – это графическое позитивное или негативное изображение рисунка платы в натуральную величину (масштаб 1:1) на светопроницаемой фотопластинке или пленочном материале, полученное путем фотографирования оригинала.
По назначению фотошаблоны подразделяют на контрольные, которые хранятся как эталоны, и рабочие, которые изготовляются с контрольных. Рабочие фотошаблоны служат для переноса имеющегося на них рисунка на плату.
Изображение элементов на фотошаблоне должно соответствовать требованиям чертежа и быть черно-белым, контрастным, с четкими и ровными краями. Размеры печатных проводников и контактных площадок устанавливают с учетом степени подтравливания.
На рабочем поле фотошаблона не допускаются ореолы, пятна, точки, разрывы, полоски и другие видимые дефекты. Фотошаблон должен быть износостойким, маоусадочным, иметь минимальную деформацию при изменении температуры и влажности окружающей среды, а также в процессе производства. В большой мере этим требованиям соответствуют сверхконтрастные пластинки типа “Микрат - НК” и пластинки из полированного силикатного стекла с металлизированными поверхностями.
Из готового оригинала контрольные фотошаблоны получают масштабным фотографированием на фоторепродуктивных полиграфических камерах с объективами, имеющими высокую разрешающую способность.
Рабочие фотошаблоны изготовляют из контрольных способом контактной печати. Если технологический процесс предусматривает обработку групповой заготови, то на специальном оборудовании (фотоштампах) методом мультипликаций получают групповой фотошаблон с точным размещением элементов рисунков, специальными отверстиями совмещения и общим машинным нулем отсчета координат программного сверления отверстий.
Более прогрессивным является метод получения фотошаблонов сканирующим световым лучом непосредственно на фотопластинке (без изготовления оригинала).
Рисунок 9.5.10. Схема работы координатографа для получения фотошаблонов печатной платы без оригинала
Он реализуется с помощью высокопроизводительных координатографов под управлением ЭВМ.
Координатограф (рис. 9.5.10) состоит из вакуумного стола 6, на котором закрепляется фотопластинка и блок управления 1. Стол перемещается с высокой точностью в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью прецизионных ходовых винтов 4 и 5, которые приводят во вращение шаговыми двигателями 2 и 3. Фотоголовка включает осветитель 7, фокусирующую систему 8, круглую диафрагму 9 и фотозатвор 10. Диафрагма имеет набор отверстий (от 25 до 70), которые оформляют определенный элемент рисунка платы и закрепляются на валу шагового двигателя.
В случае ввода программы в блок управления сигналы подаются на шаговые двигатели привода стола и диафрагмы, а также на осветитель. В результате их программируемой работы на фотопластинке последовательно засвечиваются все элементы платы. Современные координатографы оснащаются системами автоматической поддержки постоянного светового режима и обеспечивают: размер рабочего поля от 500x500 до 1200x1200 мм; точность позиционирования ± (0,01...0,03 мм); максимальную скорость перемещения 3...10 м/мин; ширину экспонируемой линии 0,1 ...5 мм; дискретность перемещения по координатам 0,025 мм.
Если для изготовления фотошаблона используют обычный чертеж платы, то он с помощью координатографа кодируется на перфоленту.
Фоторезисты
Фоторезисты – это специальные светочувствительные материалы в виде органических растворов или сухих пленок, которые наносят слоем на подготовленную поверхность платы. Фоторезисты вместе с фотошаблонами обеспечивают создание на поверхности платы соответствующего рисунка схемы методом фотопечати.
Фоторезисты подразделяют на негативные и позитивные. Они отличаются способом образования защитной маски после экспонирования – непродолжительного действия ультрафиолетового излучения. В качестве источника света используют дуговые, ртутные и люминесцентные лампы.
Участки негативного фоторезиста, которые находятся под прозрачными местами фотошаблона, под действием света получают свойства не растворяться во время проявления. Участки фоторезиста, которые расположены под непрозрачными местами фотошаблона, легко удаляются во время проявления в растворителе. Таким образом, образуется рельеф, который представляет собой изображение светлых элементов фотошаблона (рис. 9.5.11, а).
Позитивный фоторезист под действием излучения изменяет свои свойства так, что в процессе обработки в проявителе растворяются его облученные участки, а не облученные (те, которые находятся под непрозрачными участками фотошаблона) остаются на поверхности платы (рис. 9.5.11, б).
Рисунок 9.5.11.Создание защитного слоя фоторезиста: а – негативного;б – позитивного
Фоторезисты должны иметь:
· высокую разрешающую способность, что определяется количеством проводящих линий, которые можно нанести на одном
миллиметре поверхности платы;
· светочувствительность и устойчивость к воздействиям различных химических растворов;
· хорошую адгезию с поверхностью платы.
Негативные фоторезисты изготовляют на основе поливинилового спирта. Их широкое применение обусловлено нетоксичностью, високой разрешающей способностью (до 50 линий/мм), простотой проявления и низкой стоимостью. Недостатком негативных фоторезистов является невозможность хранения больше 3-4 лет заготовки платы с нанесенным на ней слоем, поскольку фоторезист задубляется не только под действием света, но и в темноте. Кроме того, с понижением влажности и температуры окружающей среды уменьшается механическая прочность светочувствительного слоя и его адгезия с фольгой.
Для позитивных фоторезистов применяют материалы на основе диазосоединений, которые состоят из светочувствительной полимерной основы, растворителя и других материалов.
Позитивные фоторезисты превосходят негативные1 по адгезии, разрешающей способности (до 350 линий/мм), химической стойкости, отсутствием дубления в темноте во время хранения заготовки с нанесенным светочувствительным слоем. Однако они содержат токсические вещества и имеют высокую стоимость. Позитивные фоторезисты широко используют в сеточных трафаретах.
В технологическом процессе производства печатных плат используют жидкие и сухие (пленочные) фоторезисты.
Жидкие фоторезисты значительно дешевле пленочных, и для работы с ними требуется несложное оборудование.
Использование пленочных фоторезистов значительно упрощает технологический процесс (исключает операции сушки, дубления, ретуширования). Он легко поддается автоматизации, обеспечивает равномерное нанесение защитных слоев при наличии монтажных отверстий.
Среди жидких фоторезистов наиболее распространен светочувствительный материал на основе поливинилового спирта, который проявляется в нагретой до 40 °С воде. Он нетоксичен, пожароустойчив. Ограниченный срок хранения увеличивают, используя различные примеси.
Негативные фоторезисты наносят на поверхность платы различными способами: погружением, поливом с центрифугированием, накатом ребровым валом, разбрызгиванием.
Для нанесения фоторезиста погружением заготовку платы опускают в кювету с фоторезистом и вытягивают с постоянной скоростью до 50 см./мин. Погружение является самым простым способом покрытия слоем фоторезиста с обеих сторон платы. Толщина полученного слоя зависит от скорости вытягивания, вязкости раствора и колеблется от 4 до 8 мкм. Для получения толстых слоев используют многократное погружение с дальнейшей сушкой каждого слоя. Способ не требует дорогого оборудования; недостатком является неравномерное нанесение слоя фоторезиста.
Поливом с центрифугированием можно получить покрытие почти без пор. Толщина полученного слоя зависит от вязкости фоторезиста и частоты вращения центрифуги. Для получения тонких пленок используют высокую частоту вращения, при этом необходимы фоторезисты с достаточно низкой вязкостью. Толщина слоя обычно составляет 2 ...4 мкм, а неравномерность толщины – 0,5 ...1,0 мкм.
Накат фоторезиста ребристым валиком обеспечивает большую равномерность слоя покрытия.
Недостатками всех жидких фоторезистов является малая толщина и неравномерность слоя покрытия, большая трудоемкость процесса нанесения и невозможность его использования для нанесения на платы с отверстиями.
Сухие фоторезисты теперь широко используются и заменяют жидкие как более технологические и простые в применении. Сухой пленочный фоторезист – это тонкая пленка, которая полимеризируется под действием ультрафиолетового облучения. Он состоит из трех слоев: оптически прозрачной пленки, светочувствительного полимера и защитной лавсановой пленки, которая защищает фоторезист от механических повреждений и возможного загрязнения.
Наносят сухой пленочный фоторезист с помощью валкового механизма – ламинатора (рис. 9.5.12).
Рисунок 9.5.12. Последовательность фотопечати с использованием сухого фоторезиста: а – нанесение фоторезиста; б – экспонирование; в – удаление несущей пленки; г – удаление неэкспонированных участков
Накатный валик 4 оснащен устройством для обеспечения заданного давления на заготовку 1. Процесс осуществляется при повышенной температуре. При этом защитная пленка 3 удаляется, а открытая поверхность полимера 5 приклеивается к медной фольге 6, поскольку адгезия светочувствительного материала к фольге больше, чем к несущей пленке 2. В результате экспонирования инициируется фотохимическая реакция и на плате образуется изображение светлых мест фотошаблона. Оптически прозрачная пленка 8 отделяется от несущей поверхности и изображение проявляется в теплой воде. При этом неэкспонированные участки удаляются.
Промышленность выпускает сухие фоторезисты толщиной 20, 40 и 60 мкм и защитой 90, 110, 130 мкм. Тонкие слои сухого фоторезиста используют как маски для вытравливания меди из пробелов, средние – для создания рисунка для нанесения слоя металлизации, а толстые – для защиты отверстий с металлизацией во время вытравливания.
Метод фотопечати обеспечивает высокую разрешающую способность – ширина проводников составляет 0,1 мм.
Офсетная печать
Метод офсетной печати заключается в изготовлении печатной формы, на поверхности которой формируется рисунок слоя платы. Форма закатывается валиком трафаретной краской, а затем офсетный цилиндр переносит краску с формы на подготовленную поверхность платы (рис. 9.5.13).
Метод используют в условиях массового и крупносерийного производства с минимальной шириной проводников и пробелов между ними 0,3 ...0,5 мм (платы 1-го и 2-го классов плотности монтажа) и с точность воспроизведения изображения ±0,2 мм. Его недостатком является высокая стоимость оборудования и сложность изменения рисунка платы.
По конструкции формы для офсетной печати подразделяются на три вида: высокой печати, глубокой печати и с размещением печатных участков в одной плоскости. Изготовляют их из алюминия, цинка, сплавов на их основе с помощью вытравливания, гравировки, прессовки, сборки из отдельных элементов и др.
Наиболее технологичной, точной и надежной является печатная форма для сухого офсета. Это пластина из алюминия толщиной 0.5...1 мм, на которую наносится тонкая пленка силиконового лака, не смачиваемого трафаретной краской. На пленке с помощью лазерного гравировального автомата выжигается рисунок платы. При этом обеспечивается производительность 300 отпечатков в час.
Рисунок 9.5.13.Схема установки офсетной печати: 1 - диэлектрик; 2 – медная фольга; 3 – основа; 4 – печатная форма; 5 – офсетный цилиндр; 6 – валик для нанесения краски; 7 – краска; 8 – прижимной валик
Сеткография
Сеткографический метод (трафаретная печать) заключается в нанесении рисунка схемы на поверхность фольги продавливанием защитной краски резиновой лопаткой (ракелем) через сеточный трафарет (рис. 9.5.14).
Сеточные трафареты – это рама из алюминиевого сплава, на которую натянута эластичная сетка из шелковых, капроновых или лавсановых ниток. Наиболее точными и долговечными являются металлические сетки из нержавеющей стали или фосфористой бронзы с размерами ячеек .50 мкм. Металлическая сетка выдерживает большое количество отпечатков и используется в серийном производстве. Ее недостатком в сравнении с неметаллическими сетками является малая эластичность и склонность к окислению.
Рисунок 9.5.14. Принцип трафаретной печати: 1 – рама; 2 – фиксатор подкладки; 3 – диэлектрик; 4 – основа; 5 – трафаретная краска; 6 – трафарет; 7 – напечатанный рисунок; 8 – ракель
Для изготовления сеточного трафарета на поверхность рамы наносят клей и на него накладывают нарезанную сетку. В пневматических устройствах сетка равномерно натягивается, приклеивается к раме и обезжиривается. На сетку накладывают временную подкладку из полиэтиленовой пленки, на которую методом полива наносят фоторезист. После экспонирования через фотошаблон и проявления на поверхности сетки получают проводящий рисунок.
Краска для защитного слоя должна быть кислотостойкой, иметь хорошую адгезию с платой, минимальное время сушки и сметаноподобную консистенцию. Краску на плату можно наносить вручную в случае малосерийного производства. Разработаны и автоматизированы устройства нанесения краски на поверхность платы с помощью сеточных трафаретов. Получение рисунка схемы методом офсетной печати на 60% дешевле, чем фотопечатью.