/>БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
РЕФЕРАТ
На тему:
«ТЕХНОЛОГИЯ ПРОВОДНЫХ ПЛАТ»
МИНСК, 2008
Применение МППэкономически оправдано лишь в серийном и крупносерийном производстве ЭА. В мелкосерийномпроизводстве на этапе разработки опытных образцов применяются другие методы,основанные на оптимальном сочетании печатного и объемного монтажа. Характернымиособенностями таких комбинированных методов являются использование ДПП, имеющихшины земли и питания, контактные площадки под навесные ЭРЭ и ИМС, металлизированныепереходные и монтажные отверстия. Монтаж остальных электрических цепейосуществляют путем раскладки проводов на одной из плоскостей платы и созданияконтактных соединений с элементами ДПП путем сварки или пайки.
Таким образом, имеястандартную конструкцию ДПП, изготовленную комбинированным позитивным методом,с помощью проводного монтажа получают конструкцию, аналогичную 8- или 9-слойнойМПП. При этом отпадает необходимость изготовления большого числа фотошаблонов,применения прессования и других операций, характерных для МПП, что значительносокращает цикл изготовления конструкции.
К комбинированным методаммонтажа относятся: многопроводной упорядоченный фиксируемыми проводами,многопроводной неупорядоченный, стежковый неупорядоченный.
Многопроводной монтажфиксируемыми проводами заключается в упорядоченном прокладывании изолированных проводов наповерхности ДПП, закреплении их в слое адгезива и соединении с печатныммонтажом с помощью металлизированных монтажных отверстий. Метод разработанфирмой Kollmorgen Corporation (США) и называется Multiwire. Материалом для изготовлениямногопроводных плат служит фольгированный диэлектрик, на поверхности которогосубтрактивным методом получают печатный монтаж. На обезжиренные поверхностиплат наносят адгезионный слой, состоящий из прокладочной стеклотканиСПТ-3-0.025 и клея ВК-32-200. Для монтажа применяют провод диаметром 0,1—0,2 ммв высокопрочной полиимидной изоляции (ПНЭТ-имид). Частичное отверждение адгезиваосуществляется прессованием при температуре 90—100 °С и давлении 0,5 МПа.
Укладку монтажногопровода осуществляют с помощью специальной головки, оснащенной ультразвуковымприжимом 1, ножом-отсекателем 2, трубкой 3 для подачипровода (рис. 1). Наконечник прижима спрофилирован таким образом, что впроцессе укладки удерживает провод 4, утапливая его в адгезив 5,на поверхности платы 6 на 0,5 диаметра.
/>
рис. 1. Схема укладки монтажногопровода
Технологические режимыукладки провода: частота УЗК 44—45 кГц, амплитуда 10 мкм, давление 16—18 кПа.УЗ-колебания обеспечивают размягчение адгезива и утапливание в него провода.После окончания трассировки провода головка останавливается и провод отрезаетсяножом. Полное погружение проводников в слой адгезива и окончательноеотвержение последнего происходит в результате прессования при температуре 180 С под давлением 1,0—1,5 МПа.
Плата с закрепленными вадгезиве монтажными проводами подается на операцию сверления. Монтажныеотверстия сверлятся по программе таким образом, чтобы проводник в платерасполагался по оси симметрии отверстия. Практически реализуется шагкоординатной сетки 0,625 мм. В результате сверления возможно наволакиваниедиэлектрических материалов на торцы проводов. Поэтому необходима операциягидроабразивной очистки отверстий, которая проводится особо тщательно, так каквскрытая площадь при сверлении торцов монтажного провода достаточно мала.
Операцией, определяющейнадежность электрического соединения проводного и печатного монтажа, являетсяхимико-гальваническая металлизация отверстий. Если на наружных слоях платыпечатный монтаж не предусмотрен, то ее перед сверлением и металлизациейзащищают технологическим лаком. Если печатный монтаж необходим, то применяютполуаддитивный метод
На одной сторонемногопроводной платы можно разместить несколько слоев проводного монтажа,чередуя нанесение адгезива и раскладку проводов. Существенные недостатки метода— невысокая надежность монтажных соединений провода с металлизированнымиотверстиями, необходимость применения адгезива, высокая трудоемкость монтажа.Достоинства метода — высокая точность двустороннего монтажа с пересечениемпроводов, оперативное внесение изменений в монтаж, автоматизация трассировки проводов.
Для повышения надежностимежслойных соединений разработан вариант многопроводного метода, отличающийсятем, что соединения объемных проводов и печатного монтажа осуществляются путемпайки проводов к монтажным площадкам, так как адгезионный слой наносится черезтрафарет и не закрывает отверстия и контактные площадки. Пайка выполняетсямонтажной головкой с программным управлением, ее производительность 300—400точек в час. Метод экономичен при производстве плат в количестве 500—1000шт/год.
Суть многопроводногонеупорядоченного монтажа незакрепленными проводами заключается впроизвольном прокладывании изолированных монтажных проводов на поверхности ДППи образовании контактных соединений с печатным монтажом путем пайки или сварки.К этим методам относятся методы Tiers(пайкой) и Stitch-Wire (сваркой соединений), разработанные фирмами США. Вотличие от метода Multiwire провода 1 (рис. 2) не приклеиваются коснованию платы 2, а остаются свободными и соединяются с монтажнымиплощадками 4 указанными выше методами. В отверстия плат могут монтироватьсяэлементы 3.
/>рис. 2. Схема проводного монтажа незакрепленными проводами рис. 3. Схема сварки монтажных проводов
Достоинстваметода — простота изготовления, ремонтопригодность, автоматизация трассировки ипайки проводников, высокая точность монтажа. Недостатки — односторонняяустановка ЭРЭ и ИМС, необходимость дополнительных контактных площадок, большаястепень свободы монтажных проводов.
Для изготовленияспециальной ЭА, устойчивой к ударам и вибрациям, применяется метод Stitch-Wire, в котором монтажные соединения выполняются сваркой.Это потребовало внесения в конструкцию платы некоторых специальных элементов.Так, для монтажа применяется одножильный никелевый провод диаметром 0,25 мм во фторопластовой изоляции, а контактные площадки выполнены из нержавеющей стали, чтообеспечивает необходимую точность и коррозионную стойкость контактногосоединения. С этой целью на диэлектрическую основу с обеих сторон наносятфольгу из нержавеющей стали толщиной 76 мкм, на которой с внутренней сторонынанесен слой меди толщиной 35—50 мкм, а с наружной — тонкий слой никеля. Медноепокрытие под стальными монтажными площадками выполняет функции теплоотвода(рис. 3.). Разводка соединений осуществляется методом параллельного электрода сподачей импульса тока длительностью 2,5 мс. В процессе сварки провод 2 подаетсячерез трубчатый электрод 3 и прижимается к монтажной площадке снекоторым усилием. Под давлением происходит удаление изоляции, сплющиваниепровода и образование контакта. Нижний электрод 1 подводится к монтажнойплощадке с противоположной стороны. При кратковременном импульсе выделение теплотыневелико, что не оказывает влияния на прочность сцепления стальной фольги соснованием платы.
Стежковый монтаж заключается в прокладыванииизолированных проводов по кратчайшим расстояниям по поверхности ДПП и вмонтажных отверстиях с образованием петель и последующим подпаиванием их кконтактным площадкам платы. Процесс осуществляется на станках с ЧПУ, а вкачестве инструмента применяют иглу из нержавеющей стали, которая имеетвнутренний диаметр, превышающий диаметр провода ПЭВТЛК 0,1—0,2 мм на 0,08—0,1мм, а также скос с углом заточки 50—75°, длину 25—35 мм.
Игла, проходя черезмонтажное отверстие, прокалывает пакет резиновых прокладок, которые задерживаютпровод при обратном ходе иглы (рис. 4, а). После трассировки резиновыепрокладки стягивают с петель и проводят их лужение групповым методом в ваннеприпоя при температуре 350±10 °С в течение 5—6с (рис. 4, б). Кабельная бумага предохраняет поверхность ДПП при лужениии удаляется после выполнения операции. Подгибку и пайку петель на контактныеплощадки (рис. 4, в) осуществляют вручную паяльником или на станках сЧПУ.
/>
1 – провод; 2 – игла; 3 – плата;4 – кабельная бумага;5 – пакет резиновых прокладок; 6 – защитнаяпластина
Рис. 4. Схемастежкового монтажа
Установка«Аракс» имеет координатный стол, перемещающийся с шагом ±0,025 мм и максимальной скоростью 10мм/с. Она позволяет вести стежковый монтаж на платах размерами 350´450 мм. Достоинства метода — снижениетрудоемкости в 2—3 раза по сравнению с методами изготовления МПП, сокращениевремени выпуска конструкторской документации с 30 дней для 6—8-слойной МПП до5—6 дней, брак не превышает 5 %.
Несмотря на то чтоотдельные операции стежкового монтажа автоматизированы, в целомпроизводительность процесса невелика, так как каждая операция требует продолжительногоручного труда при сборке и разборке различных приспособлений.
Дальнейшим развитиемпроводного монтажа явилась разработка плат третьего поколения без печатногомонтажа. Основанием таких плат является лист толщиной 0,5—2 мм из проводящегоматериала (стали, алюминиевого сплава и т. д.), который выполняет рольтеплоотвода от микросхем и является шиной с нулевым потенциалом. В основанииплаты выполнены пазы, заполненные эластичным материалом, через которыйпропущены тонкие изолированные провода марки ПЭВТЛК (рис. 5). Между пазамиустановлены на теплопроводный клей микросхемы с планарными и штыревыми выводамис шагом 2,5; 1,25 и 1 мм, а также другие ЭРЭ.
/>
1 – паяное соединение; 2 –вывод; 3 – элемент; 4 – контактная площадка; 5 – диэлектрическийматериал; 6 – проводящее основание; 7 – провод
Рис. 5Фрагментконструкции теплопроводящей платы проводного монтажа
Преимущества плат степлоотводом перед МПП:
· улучшениетеплоотвода в 2—3 раза;
· увеличениенадежности работы, так как снижение температуры корпуса ИМС на 10 °С увеличивает надежность ее работы в1,5—2 раза;
· повышениебыстродействия из-за высокой тактовой частоты (65—100 МГц) благодаря мощнымшинам питания и хорошей электрической развязке ИМС по питанию;
· отсутствиевыброса химических стоков, содержащих тяжелые металлы (медь, никель, свинец,железо и др.), что в 20 раз экологически менее опасно;
· снижение затрат наразработку плат в 2 раза, производственных площадей в 5 раз.
Новым направлением втехнике монтажа является применение тканых коммутационных устройств(ТКУ), представляющих собой тканый материал, изготовленный из электропроводящихи диэлектрических нитей, с закрепленными на нем ЭРЭ и ИМС. В общем виде ТКУ(рис. 6) представляет собой однослойное или многослойное изоляционное поле 1,изготовленное из диэлектрических нитей. С двух сторон поля во взаимноперпендикулярных направлениях по координатам x и yпроложены электропроводящие нити 2 и 3, которые на наружнойповерхности в заданных точках образуют монтажные узлы 4, выполняющиеэлектрические соединения между отдельными электропроводящими нитями. Нанаружной поверхности поля сформированы контактные площадки 6, петли 5,служащие для присоединения выводов ЭРЭ, и удлиненные выводы 7,необходимые для подсоединения к разъемам.
/>
Рис.6. Тканое коммутационное устройство
ТКУ изготавливаются наткацких автоматах, дополнительно снабженных механизмами подачи и натяженияэлектропроводящих и диэлектрических нитей, а также петлеобразования. Послеизготовления ТКУ им придают жесткость. Применяются следующие способы фиксированиятканой структуры:
· тепловаяобработка продувкой горячим воздухом или паром с температурой 180—220 °С для размягчения
термопластичных тканей ипоследующей фиксации структуры;
· оплавлениеисходного материала тканей для герметизации кромок, отверстий, контактныхплощадок;
· компаундированиепутем заливки сеточной структуры пластмассами с целью повышения механическойжесткости и прочности ТКУ;
· пластифицирование— заливка структуры составами на основе кремнийорганических каучуков дляпридания гибкости, эластичности, химической стойкости и повышения климатическойстойкости;
· формование —тепловой нагрев ткани с целью придания ей определенной пространственной формы иее стабилизации.
Соединение электрическихпроводников в контактных узлах и присоединение навесных ЭРЭ осуществляютсяконтактной микросваркой. ТКУ имеют электрическое сопротивление проводящих нитейне более 0,1 Ом, прочность изоляции до 1000 В, электрическое сопротивлениеизоляции 10—12 МОм, температурный диапазон –50…+65 °С, затухание 110—120 дБ,электрическую емкость между электропроводящими нитями 33—38 пФ.
Функционально ТКУподразделяются на четыре группы: конструктивы, платы, кабели и соединители(рис. 7). Каждая структура может быть одно- или многослойной сдвухкоординатным, внутримодульным, внутриблочным или межблочным расположениемнитей. Особенности технологии позволяют получать как гибкие и эластичные, так ижесткие коммутационные устройства плоской или объемной формы.
/>
Рис. 7. Классификация ТКУ
С экономической точкизрения производство ТКУ при существующем уровне развития текстильнойпромышленности в 5—6 раз дешевле по сравнению с печатным и проводным монтажомза счет того, что трудоемкость снижается в 5—6 раз, затраты на материалы — в 7,а на оборудование — в 5 раз. Экономятся цветные и дорогостоящие металлы,химреактивы и т. д. ТКУ имеют высокую гибкость формы, что позволяет формироватьблоки заданной конфигурации и значительно меньшей массы. ТКУ имеют высокуюнадежность в условиях повышенных механических и климатических воздействий. Кнедостаткам метода относятся невысокая точность изготовления коммутационныхполей, трудоемкость присоединения элементов и низкая ремонтопригодность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Справочникконструктора РЭА: Общие принципы конструирования/ Под ред. Р.Г. Варламова. — М.: Сов. радио, 2000.
2. Технология иавтоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры /Под ред. А.П.Достанко,Ш.М.Чабдарова. — М.: Радио и связь, 2001.
3. Достанко А.П.,Пикуль М.И., Хмыль А.А. Технология производства ЭВМ. — Мн.: Вышэйшая школа,2004.
4. Технологияповерхностного монтажа: Учеб. пособие / Кундас С.П., Достанко А.П., АнуфриевЛ.П. и др. – Мн.: «Армита — Маркетинг, Менеджмент», 2000.
5. Технологиярадиоэлектронных устройств и автоматизация производства: Учебник/ А.П.Достанко, В.Л.Ланин, А.А. Хмыль, Л.П. Ануфриев; Под общ. ред. А.П. Достанко. –Мн.: Выш. шк., 2002