Autor: Dawid Kotewicz kl. Ic Płytki Drukowane Autor: Dawid Kotewicz kl. Ic

Materiały Płytki przeznaczone na obwody są zbudowane z podłoża o właściwościach dielektrycznych i folii miedzianej. Ze względu na właściwości podłoża rozróżnia się dielektryki sztywne i elastyczne. Są one materiałami złożonymi. W ich skład wchodzi osnowa i wypełniacz lub syciwo.

Spośród wielu rodzajów laminatów do celów elektronicznych stosuje się najczęściej laminaty: celulozowo – fenolowy celulozowo – epoksydowy szklano – epoksydowy szklano – fenolowy szklano – teflonowy

Laminaty te produkuje się w kilku odmianach wymiarowych o grubości 0,8 Laminaty te produkuje się w kilku odmianach wymiarowych o grubości 0,8...3,2 mm na jedno- i dwuwarstwowe płytki oraz o grubości 0,1...0,76 mm na obwody wielowarstwowe. Grubośc warstwy metalicznej jest również zróżnicowana i wynosi 0,018...0,105 mm . Laminat o osnowie celulozowej (papierowej) nasycony żywicą fenolową jest tworzywem najtańszym. Ze względu na swoje właściwości dielektryczne i technologiczne jest głównie stosowany w sprzęcie powszechnego użytku. Wykazuje dużą odporność na wilgoć.

Laminat o osnowie celulozowej (papierowej) nasycony żywicą epoksydową ma dobre właściwości mechaniczne i elektryczne, nadaje się do wykrawania w temperaturze pokojowej. Jest trudno palny.   Laminat o osnowie z włókien szklanych nasycony żywicą epoksydową ma znacznie lepsze właściwości dielektryczne i mechaniczne od poprzedniego, lecz jednocześnie jest kosztowniejszy. Stosuje się go w sprzęcie profesjonalnym. Laminat o osnowie z włókien szklanych nasycony żywicą fenolową odznacza się dużą wytrzymałością na zginanie oraz dużą stabilnością wymiarową.

Laminat o osnowie z włókien szklanych związanych z teflonem jest ze względu na swe właściwości, zwłaszcza małą stratnością elektryczną, stosowany w obwodach mikrofalowych. Stosuje się również inne laminaty, np. laminaty elastyczne, które stwarzają korzystne warunki dobrego upakowania elementów w obudowie oraz możliwość łatwej zmiany położenia elementów w obrębie obudowy. Laminaty elastyczne składają się wyłącznie z cienkiej folii metalowej związanej z elastyczną folią teflonową, poliamidową i poliestrową.

Wszystkie te laminaty w celu uzyskania systemu połączeń są trawione selektywnie. Polega to na chemicznym usunięciu miedzi z obszarów, gdzie jest ona zbędna, czyli z miejsc położonych między ścieżkami przewodzącymi. Na rynku pojawiły się także, jako nowość, laminaty z warstwą konduktywną i rezystywną jedno- i dwuwarstwowe. Ich zaletą jest możliwość wykonania na podłożu płytki drukowanej nie tylko ścieżek przewodzących, lecz również rezystorów. Wprowadzenie na szerszą skalę do przemysłu laminatów z warstwą rezystywną stworzy układom hybrydowym grubowarstwowym poważną konkurencję.

Zapotrzebowanie przemysłu na coraz lepsze laminaty stanowi stymulator rozwoju tej dziedziny. Pojawianie się na świecie coraz to nowych materiałów świadczy o koncentracji uwagi specjalistów na problemach związanych z rozwojem elektroniki. Można tu również, jako nowe propozycje, wymienić laminaty dobrze odprowadzające ciepło, laminaty z cienką folią miedzianą chronioną cienką warstwą aluminium. Stosowanie wymienionych laminatów ma na celu przyspieszenie produkcji, zmniejszenie kosztów wytwarzania oraz oszczędność materiału i poprawę niezawodności układów.

Proces technologiczny płytek drukowanych jednowarstwowych Płytki jednowarstwowe są pod względem konstrukcyjnym i technologicznym najprostsze. Mają one więc szerokie zastosowanie w urządzeniach elektronicznych, jeśli tylko stopień skomplikowania układu lub inne względy nie uniemożliwiają stosowania tego prostego rozwiązania technicznego.

Przebieg procesu technologicznego dzieli się na kilka operacji: wykrawanie płytek z arkuszy folii oczyszczanie powierzchni wykonywanie rysunku na warstwie kopiowej trawienie folii usuwanie warstwy zabezpieczającej przed trawieniem wiercenie otworów nakładanie warstw ochronnych metalowych oraz przetapianie kontrola

Wykrawanie z arkusza laminatu płytek o wymiarach wyznaczonych przez konstruktora wykonuje się za pomocą pił lub nożyc gilotynowych.   Oczyszczanie powierzchni mechaniczne i chemiczne ma na celu usunięcie z powierzchni laminatu zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych oraz warstwy tlenków. Do operacji mechanicznego oczyszczania poleca się szczotkowanie mechaniczne szczotkami rolkowymi lub polerowanie drobnymi proszkami ściernymi. Oczyszczanie chemiczne polega na myciu w detergentach oraz wytrawianiu w słabych roztworach kwasu solnego lub w roztworze wodnym amoniaku. Na zakończenie procesu oczyszczania należy powierzchnię płytek bardzo starannie spłukać i wysuszyć.

Nanoszenie rysunku obwodu elektrycznego na warstwie kopiowej wykonuje się metodą sitodruku oraz metodą fotolitograficzną.  Trawienie folii miedzianej prowadzi się w roztworze chlorku żelazowego FeCl3. 2Cu + 2FeCl3 – Cu2Cl2 + 2FeCl Podczas trawienia zaleca się stosowanie intensywnego zmywacza oraz nagrzewania roztworu do ok. 35oC. Do trawienia miedzi można stosować także kwas azotowy oraz azotan miedzi. W procesie montażu elementy umieszcza się po stronie przeciwnej w stosunku do obwodu drukowanego, aby nie przeszkadzały one w lutowaniu końcówek do pól lutowniczych.

Proces technologiczny płytek drukowanych dwuwarstwowych Płytki dwuwarstwowe wytwarza się w bardziej skomplikowanym procesie technologicznym. Jest to spowodowane koniecznością współosiowego ustawienia obwodów po obu stronach płytki oraz ich elektrycznego połączenia.

Problem pierwszy rozwiązuje się metodą bazowania, np Problem pierwszy rozwiązuje się metodą bazowania, np. na dwóch otworach i ustalających kołkach. Dzięki temu fotoszablony można jednoznacznie ustawić po obu stronach płytki. Problem drugi to połączenie elektryczne obu stron płytki. Istnieją co najmniej trzy sposoby wykonania połączeń elektrycznych obu stron płytki dwuwarstwowej. Każdy z nich ma jakieś wady. a) połączenia mostkowe są kłopotliwe technologicznie, gdyż można ich wykonać w całej płytce zaledwie kilka, zwiększenie zaś liczby mostków komplikuje układ i utrudnia montaż elementów dyskretnych.

   b) połączenia nitowane wymagają stosowania specjalnych urządzeń, a jakość uzyskanych połączeń jest stosunkowo niska ze względu na zawodność ich działania, zwłaszcza w warunkach zmiennej temperatury lub korozyjnego działania środowiska. c) metalizowanie otworów jest pod względem technologicznym w produkcji wielkoseryjnej i pod względem niezawodności sposobem najlepszym. Można wymienić dwa rodzaje metalizacji: kompleksową oraz selektywną.

Fazami wspólnymi dla obu odmian są: opracowanie danych konstrukcyjnych opracowanie projektu połączeń wykonanie matryc wzorcowych wykonanie masek produkcyjnych wiercenie otworów metalizacja chemiczna miedzią  

Dalsze operacje w obu metodach mają taką samą kolejność: W metodzie kompleksowej po metalizacji chemicznej następuje metalizacja elektrochemiczna miedzią, a następnie kopiowanie negatywu połączeń drukowanych. W metodzie metalizacji selektywnej najpierw wykonuje się kopiowanie negatywu połączeń drukowanych, a następnie metalizację elektrochemiczną miedzią.   Dalsze operacje w obu metodach mają taką samą kolejność: metalizacja elektrochemiczna stopem Sn-Pb usuwanie emulsji ochronnej trawienie miedzi

Rozmieszczenie elementów na powierzchni płytki Przebieg kolejnych faz procesu technologicznego rozpoczyna się od wykorzystania danych konstrukcyjnych do wstępnego rozmieszczenia elementów dyskretnych na powierzchni płytki. Wielkość płytki jest najczęściej uzależniona od ogólnych założeń konstrukcji urządzenia.

liczba elementów, które należy ulokować na płytce Jeżeli jednak ten wzgląd nie istnieje, to konstruktor przy wyznaczaniu wymiarów płytki kieruje się zwykle innymi istotnymi przesłankami: liczba elementów, które należy ulokować na płytce szerokość dopuszczalna ścieżek wymiary złącza liczba warstw czynnych elektrycznie grubość laminatu sposób chłodzenia częstotliwość rezonansowa płytki w zależności od częstotliwości wymuszającej drgania wymiary prowadnic dla płytek wymiary obudowy

Matryce Matryce są rysunkami obwodu drukowanego i służą do wykonania fotoszablonu, tj. maski fotograficznej używanej przy naświetlaniu selektywnej emulsji światłoczułej pokrywającej folię miedzianą płytki laminowanej.

Matryce, zależnie od wymaganej dokładności i stopnia zagęszczenia obwodu, wykonuje się w podziałce 1:1, 2:1, 4:1. Metody ręcznego wykonywania matryc wymagają znaczniejszych powiększeń. Przy metodach mechanicznych i automatycznych rysunek matrycy wykonuje się najczęściej w wielkości naturalnej. Komplet matryc przygotowany do obwodów wielowarstwowych powinien zapewniać pokrywanie się rysunku w wąskich granicach tolerancji (0,15 mm).

Matryce wykonuje się kilkoma sposobami: a) można je wykreślić tuszem na papierze rysunkowym (brystol) lub na tworzywach przezroczystych. Dla wyznaczenia punktów charakterystycznych obwodu, np. punktów lutowniczych i znaków bazowych podłoża, tworzywa nieprzezroczyste nakłuwa się nóżką cyrkla lub igłą. Takie narysowanie matrycy jest proste do zrealizowania, lecz jej dokładność nie jest wielka. W procesach przemysłowych metoda ta nie jest w zasadzie stosowana, lecz może być wielce przydatna w pracach laboratoryjnych i szkolnych.

b) Lepsze wyniki uzyskuje się, gdy do sporządzenia matryc stosuje się czarną taśmę klejącą i znaki punktów lutowniczych oraz znaki bazowe. c) Metodą stosowaną w przemyśle jest wycinanie na folii czerwono-białej, z użyciem koordynatografu sterowanego numerycznie i wyposażonego w nóż diamentowy. Po wycięciu zarysu obwodu warstwę czerwoną usuwa się mechanicznie.

ułatwieniem wykonania dokumentacji konstrukcyjnej i technologicznej d) W pracach konstrukcyjnych prz7yjęto umownie posługiwanie się graficznym systemem odniesienia w formie siatki obwodów drukowanych z rastrem metrycznym lub calowym. Celowość wprowadzenia siatek obwodów drukowanych uzasadnia się: ułatwieniem wykonania dokumentacji konstrukcyjnej i technologicznej uzyskanie powtarzalności wyników przy wytwarzaniu obwodów drukowanych ułatwieniem montażu elementów elektronicznych.

Fotoszablony Fotoszablony (maski fotograficzne) wykonuje się metodą fotografowania matrycy przy równoczesnym doprowadzeniu obrazu do wymiarów rzeczywistych (w podziałce 1:1). W nowoczesnych zakładach przemysłowych fotoszablony wykonuje się fotokoordynatografem sterowanym cyfrowo. Metoda ta nie wymaga uprzedniego przygotowania matrycy, jednakże niezbędne jest zapisanie informacji o elementach układu, np. na taśmie dziurkowanej służącej do sterowania głowicy naświetlającej fotokoordynatograf, wyposażonej w komplet optycznych przesłon o kształtach podstawowych figur geometrycznych – trójkątów , kwadratów i kół.

Emulsje światłoczułe Często stosuje się emulsje dostarczane przez wyspecjalizowane firmy w stanie ciekłym wraz z instrukcją ich użytkowania. Do nakładania emulsji są stosowane wirówki z poziomymi tarczami płaskimi. Dobre wyniki uzyskuje się również w nakładaniu emulsji przez zanurzenie. Warstwy światłoczułe dostarczane w formie taśm polimerowych nawalcowuje się między elastycznymi wałkami (proces laminowania). Dobre przyleganie warstwy uzyskuje się prze nagrzanie polimeru do temperatury ok. 75oC podczas laminowania. W tej temperaturze polimer staje się bardzo plastyczny i dobrze przylega do płytki laminowanej.

Emulsja o krótkim czasie naświetlania, wysokiej rozdzielczości i bardzo dobrej odporności mechanicznej. Jest bardzo łatwa w wypłukaniu i odwarstwieniu. Wysoka zawartość ciał stałych (48%) i gęstość pozwalają zredukować ilość zaciągnięć przy zachowaniu wysokiego stopnia pokrycia siatki. Jest doskonała zarówno do zastosowań w druku tekstylnym jak i graficznym.

Emulsja o krótkim czasie naświetlania i niezwykle wysokiej rozdzielczości. Doskonale odwzorowuje szczegóły, wykazuje bardzo dobrą odporność mechaniczną (polecana do długich serii). Jest bardzo łatwa w wypłukaniu i odwarstwieniu. Polecana szczególnie do precyzyjnego druku graficznego.

Kontrola płytek W czasie produkcji i po jej zakończeniu kontroluje się poprawność procesu na podstawie jego wyników. Wstępna kontrola płytek polega na oględzinach pod niewielkim powiększeniem. Warstwy metaliczne powinny charakteryzować się stałą grubością na całym obszarze płytki. Nie dopuszcza się żadnych wad warstwy na powierzchniach otworów. Następnie na wybranych losowo egzemplarzach wykonuje się próbę lutowności.

Płytki poddaje się ponadto próbom testowym na prawidłowość działania, na obciążalność prądową, na obciążalność temperaturową w zakresie przewidzianym dla pracy (-65...125oC). Kontrolę prawidłowości obwodów drukowanych metodami nieniszczącymi wykonuje się na wszystkich płytkach, natomiast próby niszczące tylko na losowo wybranych egzemplarzach.

„Technologia dla elektroników” Stefan Okoniewski Koniec Źródła: Internet „Technologia dla elektroników” Stefan Okoniewski