Многослойные печатные платы — усложнение конструкции

Проанализировав рынок продаж многослойных печатных плат в России за последние годы, можно увидеть ярко выраженную тенденцию к его росту по отношению к односторонним и двусторонним аналогам. Помимо диаграммы на рис. 1 прямо свидетельствуют о распространении МПП и объемы производства — в результате исследований доля многослойных решений достигла внушительной отметки в 25%. Другие виды печатных плат же продолжают неуклонно терять своих потребителей.

Рис. 1. Динамика объема производства МПП

Россия — далеко не первая страна, где многослойные платы захватили свой сегмент рынка. Такая же ситуация наблюдалась несколькими годами ранее в странах Западной Европы, Японии, США и других развитых государствах. Повсеместно события развивались по одному и тому же сценарию: при достижении определенной критической массы покупателей рентабельность производства МПП возрастала еще сильнее, что не могло не привести к еще большему увеличению темпов роста. Все факты пока говорят о том, что Россия повторит путь этих стран и в скором времени перейдет на многослойные и гибкие платы в большинстве отраслей приборостроения. Причина в том, что изготовление многослойных печатных плат со временем дешевеет, а видимых альтернатив им попросту нет.

Многие компании уже сейчас сознательно идут на полный отказ от односторонних и двухсторонних, выбирая многослойные печатные платы. Причины тому тривиальны: МПП имеют более выгодное соотношение прибыли и затрат на производство печатных плат, а отдача от капиталовложений в такое предприятие выше. Не стоит забывать и об упомянутых тенденциях — у создателей устаревших решений гораздо меньше шансов удержать свою долю рынка и изготовление печатных плат с одним (ОПП) или двумя (ДПП) слоями становится неактуальным.

Стоимость материалов

На данный момент на отечественном рынке сложилась такая ситуация: при сравнении цен многослойных и односторонних печатных плат последние уступают в стоимости в три-пять раз. Если речь о таком же сопоставлении с двухсторонними решениями, то здесь разница также велика — стоимость отличается в 3 раза. Себестоимость у всех трех видов уже сейчас практически одинакова. При этом приведенные выше данные касаются сугубо мелкосерийного производства. Если же речь заходит о постановке на полноценное производство, то показатели рентабельности могут отличаться на порядок.

Но экономическая выгода — далеко не единственная причина, по которой производители переходят на производство многослойных печатных плат. Еще один значимый фактор — создание новой компонентной базы: многие компоненты попросту несовместимы с одно- и двухсторонними решениями. Использование устаревших комплектующих при высокой и сверхвысокой плотности проводников практически невозможна (рис. 2).

Рис. 2. Устаревшие конструкции и компоненты печатных плат

Также только многослойные платы являются безальтернативным решением при использовании матричных компонентов. Большое количество периферийных выводов таких комплектующих требует большого количества соединений, что может обеспечить только многослойная ПП. Также ограничения, связанные с использованием двухслойных плат заключаются в крайне малом количестве дорожек между выводами деталей — их может быть не более двух-трех. Применение многослойных плат нивелирует этот недостаток, увеличивая данное число до нескольких десятков (в зависимости от количества слоев).

Упрощение технологии изготовления

Стоит помнить: ряд комплектующих из современной компонентной базы могут обладать несколькими сотнями выводов. Отказ от применения многослойных плат не только увеличивает трудозатраты на проектирование печатных плат, но и влияет на итоговое качество продукта. В устаревших решениях работа с такими комплектующими требует обязательно использовать переходные отверстия для соединения с остальными составляющими топологии схемы.

Использование МПП также сильно облегчает выполнение индивидуальных требований для прибора: например, на некоторых компоновочных схемах необходимы дополнительные слои питания и заземления. Реализовать это на одном-двух слоях проводника если и возможно, то крайне трудозатратно.

Современные тенденции и негласные правила схемотехники также накладывают свой отпечаток на распространение МПП. Наиболее яркий пример: использование противоположной BGA-компонентам стороны под размещение конденсаторов. Такой подход имеет массу преимуществ, но имеет и обратную сторону — количество слоев для простейшего соединения компонентов топологии должно возрастать.

Не стоит забывать, что и шаг выводов новых представителей компонентной базы за счет уменьшения техпроцесса неуклонно снижается и в будущем эта тенденция сохранится. Некоторые новые BGA-компоненты нового поколения могут иметь до одной тысячи выводов. При стандартном шаге в 1.25 мм такие комплектующие должны размещаться сугубо на многослойной плате с количеством слоев не менее восьми, если есть необходимость использовать ставшие стандартными глухие и скрытые переходы в компоновочной схеме.

Играют роль в распространении МПП и новые инициативы производителей в области рационализации использования энергии. Это особенно хорошо прослеживается на примере рынка осветительного оборудования, где этот показатель является ключевым. Активно эксплуатируют многослойные печатные платы и производители бортовой электроники и приборов с высоким классом точности. Для всех перечисленных выше отраслей приоритетными являются решения на металлической основе. Несмотря на сложности, сопутствующие формированию рисунка при использовании МПП, метод прессования основы с основным слоем показывает высокую эффективность.

При этом с недавних пор производство многослойных плат существенно снизилось в цене. Это произошло за счет внедрения малогабаритных прессов с более высоким КПД и высокой энергоэффективностью. Это открыло целую массу возможностей для мелкосерийных производителей МПП, существенно увеличив и без того немалую долю рынка.

Также многослойные платы в приборостроении имеют гораздо больший потенциал для дальнейшего развития установки. При их применении легче внедрять новые технологии и модернизированную компонентную базу. Так, к примеру, новые решения позволяют использовать глухие отверстия для создания соединений между компонентами топологии. Их можно эксплуатировать лишь на многослойных платах, которые поддерживают высокую плотность монтажа (HDI — high destiny interconnect). Безусловно, есть и другие способы получить подобное преимущество, но именно сочетание прессования и текучих полимерных веществ дает наиболее ярко выраженные результаты.

Также стоит учитывать, большая часть производителей предпочитают обращаться за изготовлением печатных плат к одним и тем же компаниям во избежание проблем совместимости и прочих технологических нюансов. При большом диапазоне заказов большая часть заказов остается именно у того, кто может создавать наиболее сложные решения, а именно такими являются МПП. За счет этого их доля возрастает еще больше и темпы этого роста неуклонно увеличиваются.

Если просуммировать все перечисленные выше аргументы, то именно многослойные печатные платы — это наиболее конкурентоспособные решения в своем сегменте как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе.

Проектирование многослойных печатных плат

Отечественная отрасль приборостроения является весьма развитой, но учитывая переходной период между двух- и ПП с несколькими слоями, пока самой большой популярностью пользуются четырехслойные решения. Существуют разные данные относительно популярности этой комплектующей, но в среднем приводится цифра в 50-60% от общей доли. На втором месте по распространению стоят более прогрессивные шестислойные решения, а наиболее сложные восьмислойные платы располагаются за ними.

Серьезных трудностей переход между однослойными и многослойными печатными платами у большинства инженеров-схемотехников не возникло. Причина в том, что типовые чертежи многослойной печатной платы для четырех- и шестислойных плат не сильно отличаются от устаревших плат (рис. 3).

Рис. 3. Чертежи многослойных печатных плат

Создание рисунка

Изначально формируется сборочный чертеж многослойной печатной платы. Слои, которые располагаются с внешней стороны, изготавливаются с помощью стандартного метода создания негатива — офсетная печать для этих целей не подойдет. В этом они полностью схожи с однослойными аналогами, где технология изготовления печатных плат абсолютно аналогична. При этом все больше с течением времени приобретают популярность плат, в которых дорожки и контактные площадки делаются одновременно с обеих сторон платы. Это дает возможность делать несквозные отверстия для соединения слоев.

Обязательным этапом в этом случае является микротравление раствором хлорного железа или другим аналогичным реагентом. После создания рисунка применяется метод попарного прессования.

Сборка и прессование

Сборка пакета — это процесс, который заключается в совмещении слоев в необходимой последовательности, установленной на этапе проектирования. Абсолютно во всех типах печатных плат с четырьмя и шестью слоями внешние два слоя покрываются металлической фольгой, а для создания внутренних используются текучие полимерные соединения (препреги). После этого на полях формируются отверстия, на которые монтируются все перечисленные выше компоненты. Крепятся они на сонование с помощью обыкновенных штифтов. Схема типовой четырехслойной печатной платы приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема типовой четырехслойной печатной платы

Дальнейшая сборка пакета подразумевает несколько процедур удержания заготовки под предварительной нагрузкой. Потом плата помещается непосредственно под пресс, а уже после этого следует полное снятие нагрузки. На всех этапах поддерживается определенный температурный режим. Средние показатели усилия между рабочими поверхностями пресса составляют около 2 МПа (две тонны на квадратный дециметр). Для формирования внутренних слоев заготовку нагревают до температур в диапазоне между 150 и 175 градусов по Цельсию. При этом вся процедура прессования может продолжаться от 20 минут до одного часа. Последним шагом на этом этапе является охлаждение печатной платы под давлением — оно производится с теми же показателями усилия, но при температуре около 35 градусов.

Создание и металлизация отверстий

После всех процедур, связанных со сборкой и прессованием заготовки, наступает этап создания отверстий. Для этих целей используется программируемый станок, в который координаты каждого из них внесены заранее. Первыми проделываются сквозные отверстия, после чего производится очистка всех будущих контактных площадок от смолы и прочего мусора — для этого применяются дополнительные ванны с травителем. По своему принципу этот этап ничем не отличается от металлизации одно- и двухсторонних печатных плат, но производится он уже при других концентрации и температуре реагента.

Важное замечание: отечественные производители используют именно эти методы из-за их простоты и надежности, а также из-за наличия полного спектра документации по каждому из них. Зарубежные методы производства многослойных печатных плат могут во многих нюансах отличаться. Другой причиной различий является огромное количество вариантов развития самой технологии МПП.

Основным ключевым различием в производстве ОПП и МПП является этап прессования, который в случае с однослойными платами попросту не требуется. В остальном переход с производства ОПП на создание МПП не требует каких-либо капиталовложений или дополнительного оборудования.

Установки для прессования

Развитие рынка печатных плат с несколькими слоями не могло не создать огромный спрос на периферийное оборудование. За счет увеличение доли рынка МПП появилось и большое количество станков для прессования, которые занимают центральное место во всем производственном процессе. В большинстве случаев переход производства с ОПП (ДПП) на МПП не превышает по стоимости 100 тысяч долларов. Усложнение производства часто требует менять этот компонент, но избавляться от других прессов производители не спешат. В большинстве случаев такие машины применяются для обучения операторов и конструкторов, либо в производстве простейших разновидностей многослойных печатных плат. Также целесообразно проводить входной контроль именно на таком оборудовании.

Прессы, которые отвечают основным современным требованиям для производства актуальных МПП, имеют схожую компоновку. Все без исключения установки работают на пневматической основе. Нижняя часть пресса отводится под компрессор и управляющие компоненты, а в верхней располагаются нагревательные плиты и привод. Для дополнительной жесткости установка имеет жесткий каркас из стали, материал корпуса же не имеет особого значения и на функциональность устройства никак не влияет.

Среди управляющих компонентов: цифровые регуляторы нагрева с термическими датчиками, таймер обратного отсчета и блок регулировки давления. Средний цикл прессования восьмислойной заготовки на такой установке занимает примерно три часа.

В ряде случаев производители модернизируют прессы для повышения продуктивности работы. Для этого на пресс устанавливается система охлаждения, которая призвана уменьшить период остывания рабочих поверхностей. Средний показатель для обычной установки составляет 2 градуса в минуту, но после усовершенствования эта цифра может вырасти в два-три раза. Другой вариант модернизации: блок для создания вакуума в зоне прессования, который снижает процент брака при производстве печатных плат с несколькими слоями.

Ключевым показателем эффективности производства плат является соотношение инвестиций к площади производства. Современные прессы ориентированы на превосходство именно в этом компоненте: по сравнению со старыми моделями они занимают меньше места, менее прихотливы к обслуживанию и не требуют подвода каких-либо коммуникаций (кроме питания).

Еще одним значимым плюсом современных прессов в изготовлении многослойных печатных плат является их полная совместимость с современными материалами. Но для отечественного производителя это преимущество пока ощущается очень слабо, ведь документация для работы со многими соединениями попросту отсутствует. Лишь немногие компании согласны работать в этом направлении. На первых этапах такие эксперименты обычно сопряжены с большим процентом брака МПП.

Создание норм по ключевым показателям (срока образования геля, содержания посторонних веществ и т. д.) приведет к сильному развитию отечественного приборостроения. Это существенно повысит качество входного контроля и снизит вероятность брака при производстве.

Характерные особенности производства многослойных печатных плат

Многослойные печатные платы существенно отличаются от своих предшественников в ряде технических требований при проектировании. Ярким примером различий являются нормы по созданию симметричного стека. Основным требованием к многослойным платам является равенство количества и размеров слоев относительно плоскости симметрии.

Также особое внимание уделяется и толщинам внутренних слоев, которые состоят из полимерных материалов. Производительно должен соблюдать формулу, согласно которой этот параметр не должен быть больше суммы толщин проводников. При этом слой композитного вещества не должен быть меньше 120 микрометров, иначе многослойная плата будет признана бракованной (как на рис. 5).

Рис. 5. Брак в многослойной плате

Для восьмислойных плат актуальным остается вопрос волнового сопротивления проводников. Для того, чтобы повысить качество производства, необходимо учитывать дополнительные показатели вроде соотношения диэлектрической проницаемости препрега к его объему.

Свободные места на многослойных печатных платах заполняются сеткой или другим повторяющимся рисунком (см. рис. 6) — пустыми их оставлять нельзя. Такой метод дает возможность увеличить прочность соединения слоев печатной платы между собой, а также снижает риск деформации на этапе прессования за счет улучшения отвода газов. Этот метод хорошо зарекомендовал себя и на практике: процент расслоений при пайке таких многослойных печатных плат гораздо ниже. Для ОПП и ДПП такие меры не требуются.

Рис.6. Рисунок на многослойной печатной плате

Следовательно, для создания качественной многослойной печатной платы необходимо учитывать массу специфических норм производства, которые до недавнего времени не были известны в отечественном приборостроении. При этом многие процедуры абсолютно аналогичны тем, которые требуются для изготовления ДПП. При заключении договора на поставку оборудования производители уделяют особое внимание техническому обслуживанию.

Также поставщик обязуется наладить техпроцесс, а также дает всю необходимую информацию по подбору материалов и соединений. Немалая роль отводится и обучению (или повышению квалификации) сотрудников. Эта процедура должна содержать большое количество практики, так как знания и опыт сотрудников все еще остаются важным фактором, влияющим на качество изготовления многослойных печатных плат.

Гибкие печатные платы

Гибкие печатные платы — еще одна разновидность многослойных плат. Материалы для изготовления печатных плат в данном случае — гибкие полимеры, которые имеют низкую склонность к деформации. На ряд гибких печатных плат также наносится защитный слой. Также обязательным их компонентом являются вещества, повышающие адгезию, но в ряде ситуаций их использование является нецелесообразным. Типовое строение гибкой печатной платы изображено на рис. 7.

Рис. 7. Строение гибкой печатной платы с медной фольгой

Основной сферой применения гибких печатных плат являются приборы, в которых требуется большое количество соединений между другими комплектующими (в своем большинстве — обычными МПП). По своей сути ГПП — это функциональная альтернатива соединению проводниками.

Также гибкие печатные платы встречаются в катушках индуктивности, а также в конструкциях антенн. Возможность создавать гибкие соединения и многочисленные варианты для создания каждой конструкции обусловили широкое применение ГПП в приборостроении.

Гибкие печатные платы имеют массу преимуществ по сравнению с другими видами соединений:

1. Гибкость и малые габариты.
2. Снижение веса.
3. Повышение эффективности сборки.
4. Снижение себестоимости комплектующих.
5. Повышение надежности за счет снижения числа соединений.
6. Малое волновое сопротивление.
7. Ниже способность к нагреву.
8. Поддержка поверхностного монтажа компонентной базы.

Ключевые преимущества

Подводя итог, можно выделить такие плюсы многослойных печатных плат:

1. Увеличенная удельная плотность компонентов, дорожек и контактных площадок на единицу площади по сравнению с ОПП и ДПП.
2. Снижение средней длины проводников, которое положительным образов сказывается на быстродействии оборудования и его энергоэффективности.
3. Высокая эффективности экранирования цепей переменного тока, недоступная в других видах плат.
4. Пониженная чувствительность к условиям эксплуатации прибора и более длительных срок их службы.
5. Больший потенциал для модернизации уже существующих приборов и их компонентов (и поддерживаемый монтаж SMD).
6. Соответствие современной компонентной базе.

Но помимо плюсов у этих платесть и ряд спорных моментов:

1. Многослойные печатные платы, изготовление которых требует большего контроля, стоят дороже однослойных плат.
2. На проектирование платна базе МПП уходит больше времени и ресурсов.
3. Оборудование для производства многослойных печатных плат дороже такового для ОПП и ДПП.
4. Необходимость ужесточения норм выходного контроля.
5. Низкая ремонтопригодность при выходе устройства из строя: многослойные печатные платы в домашних условиях попросту не подходят для этого в силу конструкции.

Тем не менее, все факты говорят о том, что именно многослойные платы займут доминирующее положение в приборостроении. Видимых альтернатив эти решения не имеют, а по преимуществам значительно превосходят все разновидности плат. Отдельно стоит отметить гибкие многослойные ПП, которые стали незаменимыми в большом количестве отраслей и полностью вытеснили кабельные соединения. МПП обладают высоким потенциалом для их заказчика, производителя и конечного потребителя прибора.

Спустя несколько лет отечественные производители в своем большинстве на выпуск многослойных печатных плат. Об этом свидетельствует как динамика рынка комплектующих, так и практический опыт использования МПП. Оборудование для прессования слоев также постепенно становится доступнее, что снижает средний объем капиталовложений на одну линию производства. Ведутся работы и по созданию новых полимеров, которые лягут в основу межслойных соединений. Все эти факторы в сумме говорят о грядущей безоговорочной монополии многослойных печатных плат в сфере приборостроения. Именно многослойная печатная плата — это наиболее интересная возможность для инвестиций и развития продукции.