Дизайн и компоновка печатной платы на металлическом основании
|
|
Сделать заказ
|
При проектировании электронных компонентов разработчик всегда стремится к тому, чтобы конечное электронное устройство было как можно меньших размеров. Однако поскольку далеко не вся потребляемая электронными устройствами мощность превращается в мощность полезных сигналов, на кристаллах ИС наблюдается значительное выделение тепла. Нарушение теплового режима работы ИС приводит к снижению помехоустойчивости, быстродействия и общей надежности электронного устройства. В связи с этим при уменьшении размеров устройства остро встает вопрос об отводе тепла. Рассмотрим на конкретном примере теплового расчета для светодиода основные факторы, определяющие ширину проводника на печатной плате.
Конструкции печатных плат для повышенного отвода тепла
Базовым материалом однослойных печатных плат является медная фольга, приклеенная через теплопроводящий изоляционный слой на металлическое основание. В этом случае используется та же фольга, что и в материале на основе стекловолокна (FR4), толщина которой варьируется в пределах 35…350 мкм. Следует заметить, что материал имеет один слой фольги, т.е. его можно применять только в односторонних платах. В связи с этим для формирования рисунка печатной платы заготовки травятся в кислом растворе по фоторезисту, т.е. процесс гальванического наращивания меди отсутствует. Это означает, что толщина фольги в процессе изготовления платы не изменяется.
В свою очередь, металлическое основание может быть алюминиевым, медным и стальным. Теплопроводность алюминиевого основания составляет порядка 150 Вт/(м∙К), а у меди — порядка 400 Вт/(м∙К). Однако несмотря на такую разницу в теплопроводности, мы по большей части изготавливаем платы на алюминиевом основании, т.к. это является наиболее дешевым вариантом изготовления. Стальное основание в основном используется для экранизации сигналов или ужесточения конструкции.
Особенности проектирования печатных плат на металлическом основании
С одной стороны материал ламинирован медной фольгой, как и в случае одностороннего материала. Из-за того, что обратная сторона в данном случае является токопроводящим материалом, не представляется возможным использовать на плате элементы, монтируемые в отверстия (DIP-элементы). На таких платах используются только планарные элементы. Отверстия и пазы могут применяться только в качестве крепежных элементов. Из-за того, что эти платы используются для максимального отвода тепла, при их проектировании желательно максимально использовать полигоны, не экономя на ширине проводников. Следует также помнить о том, что обратная сторона платы — сплошной металл, способствующий возникновению паразитных емкостей, отрицательное влияние которых сложно недооценить. В качестве маскирующего покрытия поверхности печатной платы применяется двухкомпозитная жидкая паяльная маска. В светодиодных приложениях для плат чаще выбирают черный цвет маски (для повышения контрастности RGB-цветов) или белый (отсутствует подсветка при белом свечении) цвет. Для остальных применений выбор цвета паяльной маски, например зеленого, синего или красного, производится из эстетических соображений. Позиционные обозначения элементов выполняют, как правило, методом шелкографии краской любым контрастным к маске цветом. Финишное покрытие площадок в большинстве случаев — оплавление ПОС63, но возможны и другие типы покрытий: бессвинцовое оплавление, иммерсионное золото, гальваническое золото, иммерсионное серебро, иммерсионное олово.
Материалы, используемые для производства печатных плат с металлическим основанием
- Медная фольга: 35; 70; 105; 140 мкм.
- Металлическое основание: алюминий; медь; сталь.
- На нашем производстве применяется материал с алюминиевым основанием толщиной 1,0; 1,5; 2,0 мм.
Изоляционный слой может представлять собой обычный препрег на основе стекловолокна. Это наиболее доступный и дешевый вариант, но он имеет один важный недостаток — низкую теплопроводность. Такой вариант у нас представлен в виде материала производства фирмы Rukai, и по классификации производителя этот изоляционный слой имеет название IMS-03. Его толщина составляет 75 мкм, тепловое сопротивление — 1,42°C/Вт.
Большей популярностью пользуются специальные теплопроводящие материалы из полимеров на основании керамики, толщина которых колеблется в пределах 75…150 мкм, а тепловое сопротивление составляет 0,45…1,0°C/Вт.
Такие варианты у нас представлены рядом материалов от производителей Ruikai, Bergquist и Totking.
Наиболее популярным в мире является материал фирмы Bergquist, но он имеет очень высокую цену. В случае если необходима максимальная теплопроводность, найти ему замену довольно-таки сложно, поскольку тепловое сопротивление изоляционных материалов этой фирмы лежит в пределах от 0,45…0,7°C/Вт.
В большинстве случаев мы изготавливаем платы с теплопроводящим основанием из материала T111 компании Totking. Он очень хорошо зарекомендовал себя и является оптимальным с точки зрения цена/качество. Тепловое сопротивление изоляционного слоя этого материала составляет 0,7°C/Вт. К его недостаткам можно отнести не очень высокое пробойное напряжение — 2,5 кВ. У материалов фирмы Ruikai оно колеблется в диапазоне 4,0…8,0 кВ и до 11 кВ — у материалов Berquist.
Однако в связи с тем, что в большинстве случаев такие платы применяются в изделиях с низким рабочим напряжением (блоки питания, светотехника), наиболее важным критерием выбора является наименьшее тепловое сопротивление материала.
В качестве диэлектрика для многослойных плат на металлическом основании в производстве используются следующие материалы: ARLON ML99; ARLON ML92 и ARLON 49N.
Показатели теплопроводности материалов:
- FR4 — 0,25–0,35 Вт/(м∙К);
- ARLON 99ML — 1,1 Вт/(м∙К);
- ARLON 92ML — 2,0 Вт/(м∙К);
- ARLON 49N — 0,25 Вт/(м∙К).
Из всех материалов, которые мы используем для многослойных печатных плат с металлическим основанием, ARLON 49N имеет самую низкую теплопроводность. Однако благодаря тому, что у этого материала низкая текучесть, возможно изготовление плат с фрезерованными под DIP-монтаж окнами. Варианты цвета паяльной маски: белая; черная; зеленая; синяя; красная. Варианты цвета шелкографии: белый; черный; желтый; зеленый. Варианты финишного покрытия площадок: оплавление ПОС63, бессвинцовое оплавление, иммерсионное золото, гальваническое золото, иммерсионное серебро, иммерсионное олово.
Технология производства печатных плат на металлическом основании
Исходный материал – диэлектрическое основание, ламинированное с двух сторон медной фольгой.
В качестве диэлектрика могут выступать: стеклотекстолиты, полиимиды, ламинаты с пониженным тепловым сопротивлением (T-Lam,T-Preg), адгезивы с пониженным тепловым сопротивлением.
В качестве основания могут быть использованы листы меди или алюминия толщиной 1-3мм.
Наиболее распространенная толщина медной фольги – 35мкм.
На специализированных станках с ЧПУ в плате сверлятся отверстия.
Это первая операция, влияющая на точность (класс) печатной платы. Точность сверления отверстий зависит от применяемого оборудования и инструмента. Значения позиционных допусков осей отверстий в диаметральном выражении (по ГОСТ Р 53429-2009) в миллиметрах:
Следующий этап – нанесение на заготовку фоточувствительного материала (фоторезиста). Этот этап проходит в чистой комнате с неактиничным (желтым) освещением (фоторезист светочувствителен к ультрафиолетовому спектру). Фоторезист бывает пленочным (наносится на заготовку ламинированием) и жидким (наносится валиками).
1 вариант: Экспонирование с негативными фотошаблонами
С заготовкой совмещается фотошаблон. Круг, часть которого изображена – контактная площадка. Изображение на фотошаблоне – негативное по отношению к будущей схеме.
Участки поверхности, прозрачные на фотошаблоне, засвечиваются, фотополимеризуются и теряют способность к растворению в установке проявления. После экспонирования фотошаблоны удаляются.
2 вариант: Прямое экспонирование фоторезиста
Экспонирование фоторезиста происходит на установках прямого лазерного экспонирования без использования фотошаблонов. Источником излучения при этом может быть UV лазер или UV светодиодная матрица.
Изображение на фоторезисте проявляется: не засвеченные участки растворяются в проявочном растворе, открывая отверстия и топологию для осаждения гальванической меди, засвеченные – остаются на плате. Назначение оставшегося фоторезиста – защита медной фольги при последующем травлении.
На этом этапе фоторезист защищает медь от травления. Незащищенная медь растворяется в травящем растворе, оставляя на плате рисунок будущей схемы. Травление осуществляется в горизонтальной конвейерной машине.
Фоторезист удаляется, обнажая базовую медную фольгу на проводниках. Таким образом, мы получили рисунок топологии печатной платы.Далее заготовки передаются на автоматическую оптическую инспекцию для проверки качества травления.
Для защиты поверхности платы и медных участков, не подлежащих нанесению финишного покрытия, на плату наносится защитная паяльная маска. Наиболее широко распространена жидкая двухкомпонентная фоточувствительная паяльная маска. Сухая пленочная паяльная маска обеспечивает хорошие результаты по тентированию переходных отверстий, наносится методом ламинирования, но в настоящее время используется редко, т.к. не подходит для печатных плат выше 3 класса точности. Жидкая паяльная маска наносится методом сеткографии через сетчатый трафарет, причем существует два варианта нанесения. Через готовый трафарет, когда в сетке уже сформированы все окна вскрытия, и маска наносится только на защищаемые участки печатной платы (такой вариант имеет невысокое разрешение и применяется, как правило, на односторонних печатных платах ниже 3 класса точности), и сплошное нанесение маски с использованием метода трафаретной печати и последующим экспонированием через фотошаблон или прямым экспонированием.Перед нанесением маски поверхность меди очищается, затем развивается необходимая шероховатость для хорошей адгезии маски.
Жидкая маска продавливается ракелем через сетку на всю поверхность заготовки. Нанесенный слой подсушивается в печке до образования сухой поверхности. Для печатных плат с маской с двух сторон процесс повторяется. Подсушенные заготовки передаются на экспонирование.
1 вариант: Экспонирование с негативными фотошаблонами
С заготовкой совмещается фотошаблон. Круг, часть которого изображена – контактная площадка. Изображение на фотошаблоне – негативное по отношению к будущей схеме.Участки поверхности, прозрачные на фотошаблоне, засвечиваются, фотополимеризуются и теряют способность к растворению в растворе проявления. После экспонирования фотошаблоны удаляются.
2 вариант: Прямое экспонирование защитной паяльной маски
На установке прямого экспонирования маска засвечивается UVлазером или UVсветодиодной матрицей. Засвечиваемые участки полимеризуются и теряют способность к растворению в растворе проявления.
Незасвеченные участки маски смываются в линии проявления. Качество сформированных масочных слоев проверяется контролером. После контроля заготовки помещаются в печку для окончательной полимеризации.
1 вариант: Печать маркировочной краски через сетчатый трафарет
Для идентификации монтируемых компонентов большинство изготавливаемых печатных плат имеют маркировку. Маркировка наносится после проявления маски.
Через сетчатый трафарет наносится маркировка контуров, позиционных номеров, типов и номиналов компонентов.
2 вариант: Струйная печать маркировочной краски
Для идентификации монтируемых компонентов большинство изготавливаемых печатных плат имеют маркировку. Маркировка наносится после проявления маски.
По аналогии с обычным струйным принтером изображение формируется капельками чернил отверждаемых ультрафиолетом.
Струйный метод является современным и эффективным способом нанесения маркировки.
Заготовки с напечатанной маркировкой передаются на контроль качества.
На открытые от маски участки меди различными методами наносится финишное покрытие для обеспечения качественной пайки.
HASL (Hot Air Solder Leveling). Нанесение припоя путем окунания заготовки в расплавленный припой с последующим выравнивание горячим воздухом. Возможно применение (в разных установках) свинцового и бессвинцового (leadfree) припоя.
Что предлагает ИнПромСинтез
Быстрое выполнение работ
- У нас очень быстрое время обработки запросов от клиентов - от проектирование до изготовления прототипа или рабочего образца платы.
- Широкий выбор параметров
- Для изготовления плат ИнПромСинтез использует широкий выбор различных параметров. Он включает в себя тип материала печатной платы, который Вы хотите использовать, отделку поверхности. А также опции для добавления уникальных идентификаторов для ваших плат.
- Наше производство также может производить платы до 32 слоев.
Система онлайн заказа
Наконец, сайт ИнПромСинтез позволяет вести заказ платы полностью в онлайн режиме, где производится подгрузка файлов проекта, согласование замены компонентов, а также автоматический расчёт цены Вашей печатной платы. Это происходит после того, как Вы загрузите файлы Gerber и введете необходимые данные.
Наше производство печатных плат предлагает идеальный баланс между ценой и качеством и множеством вариантов изготовления, которые могут подходить для высоковольтных плат.