Физические характеристики печатных плат

Печатные платы можно разделить на два класса, которые имеют во многом сходные характеристики, основанные на функциях, для которых они предназначены, но требуют разного подхода к разработке конструкций и технологий. Первый класс содержит аналоговые, радиочастотные и микроволновые печатные схемы, какие можно найти в передатчиках, приемниках, источниках питания, автомобильном управлении, микроволновых печах и аналогичных продуктах. Второй содержит цифровые схемы, какие можно найти в компьютерах, устройствах обработки сигналов, видеоиграх, принтерах и другой продукции, которая использует сложные цифровые схемы. В табл. 1 перечислены некоторые из характеристик каждого класса печатных схем.

Как видно из табл. 1, материалы, конструкции и технологии, требуемые для этого класса печатных схем, отличаются от тех, которые обычно называют цифровыми.
Низкий уровень сложности объясняется тем, что большинство используемых компонентов имеют два, три или четыре вывода. Связано это с массовым использованием резисторов, транзисторов, конденсаторов, трансформаторов и индуктивностей.
Проводники, контактные площадки и сквозные металлизированные отверстия в аналоговых печатных схемах часто ведут себя как индуктивности, емкости и элементы взаимоиндукции. Их формы могут иметь существенное влияние на суммарные рабочие характеристики схемы. Например, индуктивность выводов и емкость в цепи коллектора транзистора могут вести себя как резонансные компоненты для радиочастотного усилителя или привести к ухудшению характеристик схемы, если их присутствие нежелательно. На рис. 1 показано волновое сопротивление линии связи в зависимости от погонной емкости трассы линии.

Рис. 1. Взаимозависимость погонной емкости трассы линии и волнового сопротивления линии связи. Изначально L0 = 3,3 нГн/см [1]

Два проводника, проходящие рядом, могут использоваться как линия связи для сигнала от одной цепи к другой, как это делается в направленном ответвителе микроволновых усилителей (та же связь в цифровой схеме может привести к наведению сигнала в соседней связи, вызывая неправильное функционирование).
Серии проводников, проходящих рядом, могут функционировать как полосковый фильтр. Надлежащее функционирование фильтров, а также всех остальных широкополосных радиочастотных цепей зависит от перемещения всех частот с одинаковой скоростью через структуры печатной платы. Если же скорость не одинакова, то те частоты, которые доходят позже, искажают обрабатываемый сигнал. Это явление получило название фазовое искажение.
Рис. 2 показывает зависимость диэлектрической проницаемости материалов печатной платы от частоты. Обращает на себя внимание то, что все материалы демонстрируют снижение диэлектрической проницаемости при росте частоты. Это важно, так как скорость, с которой перемещается сигнал сквозь диэлектрик, зависит от диэлектрической проницаемости. На рис. 3 показана скорость распространения сигнала в зависимости от диэлектрической проницаемости. Из двух графиков на этом рисунке можно видеть, что применение диэлектрика с непостоянной диэлектрической проницаемостью в радиочастотном диапазоне может привести к сильному фазовому искажению сигнала из-за более раннего прибытия к выходу высокочастотных составляющих сигнала, чем низкочастотных.

Рис. 2. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости композиционных материалов печатных плат

Рис. 3. Скорость распространения сигнала в зависимости от диэлектрической проницаемости

Проводники в цепях электропитания могут выдерживать ток в несколько ампер без заметного нагревания или падения напряжения. Большие токи при недостаточном сечении медного проводника могут привести к заметному падению напряжения, ухудшающему функциональность цепи. На рис. 4 показано, как меняется сопротивление проводников в зависимости от их ширины и толщины фольги.
Печатные платы, используемые в бытовой электронике, обычно имеют низкий уровень сложности аналоговых и радиочастотных цепей. Требования к их характеристикам тоже достаточно низкие. Это обусловлено необходимостью обеспечения как можно более низкой стоимости. Для достижения этой цели все усилия разработчиков направлены на размещении всех соединений на одной стороне платы и формирование всех отверстий за одну операцию методом групповой перфорации. Это позволяет исключить сверление отверстий и их металлизацию. Материалом подложки часто является гетинакс (пропитанная смолой бумага), самый дешевый материал подложки корпуса электронных схем.

Рис. 4. Погонное омическое сопротивление проводников различной ширины, вытравленных из фольг разной толщины

Подводя итог, можно сказать, что успешность разработки радиочастотной или аналоговой конструкции сильно зависит от свойств используемых материалов и от геометрических форм проводников, их близости друг к другу, а не от излишней плотности межсоединений. Искусство разводки соединений отдельных компонентов вместе за счет манипулирования формами отдельных элементов рисунка являются важными составляющими процесса конструирования. Именно поэтому средства проектирования и проектная группа должны выбираться так, чтобы удовлетворить эти потребности.
Характеристики цифровых печатных плат
По сравнению с радиочастотными и аналоговыми печатными схемами, печатные платы для цифровых устройств имеют более сложную топологию межсоединений, но не чувствительны к большому разбросу размеров элементов печатных схем и используемых материалов. Они характеризуются очень большим числом монтируемых на них компонентов, часто исчисляющимся сотнями и иногда даже тысячами. Цифровые компоненты часто имеют большое число выводов, зачастую превосходящее 400 (у некоторых процессоров – до 1500). Такое большое число выводов обусловлено логическими архитектурами, которые имеют шины данных и адресов шириной 128 бит или больше. Для соединения печатных плат с такими широкими шинами эти цифровые системы часто содержат межплатные разъемы с контактами не менее 1 000.
Цифровые схемы имеют всевозрастающие скорости передачи данных и низкие задержки распространения сигналов для обеспечения повышенных скоростей их функционирования. Повышенные скорости передачи данных в субнаносекундном диапазоне в настоящее время используются во многих устройствах, отличающихся высокой производительностью обработки информации. В табл. 2 перечислены скорости передачи данных некоторых распространенных серий логических схем, при этом под скоростью передачи данных подразумевается время, требуемое логическому сигналу, чтобы перейти с одного логического уровня на другой (скорость переключения). Задержки распространения, время, требуемое сигналу, чтобы пройти через все электронное устройство, уменьшаются с увеличением скорости передачи данных.
Эти высокие скорости передачи сигналов и короткие задержки приводят к появлению таких эффектов, как линия переноса; спаривание; скачок нулевого потенциала, приводящий к переключению транзисторов; отражения, каждое из которых может привести к неправильному функционированию печатной схемы. Рис. 5 иллюстрирует степень, с которой сигнал быстрого переключения будет наводить помеху в соседней линии связи, в зависимости от расстояния между линиями и их высоты над экранным слоем (земли или питания), когда приходится создавать согласование по волновому сопротивлению, если ее длина больше критической. Критическая длина, приведенная в табл. 2, является длиной двух параллельно расположенных линий, больше которой достигаются критические уровни наводок, приведенные на рис. 5.

Рис. 5. Взаимосвязи соседних трасс [1]

Цифровые схемы как таковые предназначены для нормального функционирования в условиях, когда величина входных сигналов может изменяться в относительно широком диапазоне. На рис. 6 представлены уровни сигнала для обычной серии логических схем, в данном случае ECL. Наименьший выходной сигнал цепи генератора ECL является разницей между VOLmax и VOHmin или 0,99 В. Наименьшее напряжение на входе устройства, при котором логическая часть все еще должна работать правильно, является разницей между VILmax и VIHmin или 0,37 В. Разность между двумя этими уровнями, или запас помехоустойчивости в 0,62 В, можно использовать для компенсации потерь в линиях связи, складывающихся из потерь в диэлектрике и потерь, вызванных другими причинами, такими как поглощение и отражения сигналов. Отсюда можно видеть, что цифровая логика имеет высокую устойчивость к потерям и повышенный иммунитет к помехам.

Рис. 6. Диаграмма устойчивости переключения для ECL-логики [1]

Устойчивость к помехам и потерям дает возможность использовать элементы связей и базовые материалы, которые вносят существенные потери и искажения, сохраняя при этом нормальное функционирование. Именно относительно высокая устойчивость к искажениям дает возможность производить экономичные цифровые печатные платы.Системы проектирования печатных плат для цифровых устройств и навыки проектирования должны быть оптимизированы для обеспечения точности выполнения большого числа соединений при одновременном соблюдении всех требований к высокоскоростным системам. Получить все это при разумном требовании к временным затратам на процесс проектирования позволяет система автоматизированного проектирования САПР, в которой есть автоматический трассировщик применительно к проектированию топологии печатных плат.

Выбор типа печатной платы непосредственно связан с компоновочными решениями расстановки компонентов на плате. В свою очередь диапазон выбора компоновок электронных схем достаточно большой. Параметры компоновок непосредственно зависят от массы, размера, стоимости, производительности, метода изготовления, надежности и назначения схемы. Наиболее распространенные типы перечислены далее с кратким описанием их характеристик.
Уровни компоновок часто используются, когда ссылаются на то, как скомпонована электронная схема. Первым уровнем компоновки является корпусирование отдельных компонентов. Обычно для этого используются герметичные оболочки, пластмассовые корпуса или безвыводные корпуса на основе углублений в корпусе, корпуса с матрицей штырьковых выводов (PGA). Вторым уровнем компоновки является печатная плата или монтажная подложка, на которой монтируются отдельные компоненты. Третьим уровнем является любое дополнительное корпусирование, которое используется помимо первых двух. Чаще всего третий уровень корпусирования принимает форму многокристального модуля (MCM), в котором размещаются и монтируются незащищенные компоненты, и он сам монтируется на печатной плате вместе с остальными компонентами.

Одно- и двухсторонние печатные платы

Эти платы имеют рисунки межсоединений на одной стороне или обеих сторонах основания платы с металлизированными сквозными отверстиями для соединения между собой двух сторон или без них. Это «рабочие лошадки» бытовой и автомобильной электроники и радиочастотной и микроволновой индустрии. Они представляют самый недорогой вариант для бытовой электроники. Базовые материалы для односторонних печатных плат простираются от пропитанной смолой бумаги для бытовой электроники до смесей на основе политетрафторэтилена с низкими диэлектрическими потерями для использования в радиочастотной аппаратуре.

Многослойные печатные платы

Эти печатные платы имеют один или более проводящих слоев в составе многослойной структуры и дополнительные проводящие слои на наружных поверхностях. Внутренние слои соединены друг с другом и с наружными слоями сквозными металлизированными отверстиями. Гибкость использования многослойных структур предоставляет возможности выбора практически любых вариантов для цифровых устройств, от персональных компьютеров до суперкомпьютеров. Число слоев колеблется от 4 для массовой аппаратуры до 50 для специальной аппаратуры. Базовые материалы практически всегда изготавливаются на основе стеклотканей, пропитанных одним или несколькими полимерами (связующим). Полимеры связующего выбираются исходя из требований выдерживать высокие температуры, уровня стоимости, величины диэлектрической проницаемости и стойкости к воздействию химических технологических растворов. На рис. 7 приведено поперечное сечение четырнадцатислойной печатной платы, показывающее типичное размещение внутренних проводящих слоев и слоев препрега. В данном случае для уменьшения температурного расширения вдоль оси Z основания внутренних слоев выполняются из полиимида, а в качестве препрега используют полуотвержденный полиимид. Указаны чередование сигнальных слоев, слоев питания и земли, толщина медной фольги для каждого слоя.

Рис. 7. Поперечное сечение четырнадцатислойной печатной платы

Платы с дискретным монтажом или с многопроводным монтажом

Этот класс монтажных плат является разновидностью многослойной платы. Основание монтажной платы — двустороння печатная плата, несущая пару слоев земли-питания на противоположных сторонах основания. Плата накрывается слоем недоотвержденного липкого материала. Изолированные провода вдавливаются в этот липкий слой, образуя рисунок проводников для соединений с контактными площадками, которые будут служить монтируемыми поверхностями для монтажа компонентов.
Как только все дискретные соединения будут установлены на месте, над ними наносится второй слой и на него напрессовываются листы медной фольги. Этот сэндвич затем прессуют, сверлят и обрабатывают, как и любую многослойную печатную плату. Результирующая печатная плата имеет наружные слои и слои питания практически такие же, как у любой многослойной печатной платы. Принципиальное различие в том, что сигнальные слои печатных проводников заменены слоями с дискретными проводами. В некоторых случаях при очень высокой плотности соединений чередующиеся слои питания между слоями с проводами перемежаются слоями изоляции.
Проектирование плат с дискретным монтажом включает в себя специальный трассировщик для дискретного монтажа, встроенный в стандартную систему автоматизированного проектирования печатных плат для создания файлов управления станком, который распределяет проволоку на диэлектрике по заданным трассам. Дискретный монтаж некогда был более быстрой альтернативой изготовления прототипов МПП. В настоящее время обе технологии одинаковы по своей скорости и рентабельности при изготовлении прототипа. Однако для современного крупносерийного производства технологии многослойных печатных плат более рентабельны, чем дискретный монтаж.

Гибриды

Эти компоновки обычно являются одно- или двухсторонними керамическими подложками с набором активных компонентов, монтируемых на поверхность, и резисторов, изготовленных из металлической пасты. Их часто можно найти в слуховых аппаратах и других миниатюрных устройствах.

Гибкие платы

Эти платы производятся нанесением слоя медной фольги на гибкую подложку, чаще полиимидную. Они могут содержать от одного до семи слоев проводников. Чаще всего их используют для замены жгутового монтажа на гибкую плату для экономии веса или пространства. Иногда гибкая плата содержит активные и пассивные компоненты. Обычно они применяются в камерах, принтерах, дисковых приводах, в авионике и видеозаписывающем оборудовании [2].

Гибко-жесткие платы

Как видно из самого названия, используются комбинации гибких и жестких печатных плат в одном модуле. Гибкая часть схемы после изготовления включается в структуру жесткой многослойной платы и спрессовывается с ней. Этот процесс исключает применение жгутового монтажа и громоздких разъемов. К областям применения относится авионика и портативное оборудование, такое как переносные компьютеры. Как правило, гибко-жесткие блоки стоят дороже, чем аналогично функционирующие комбинации печатных плат и кабелей, но надежность их гораздо выше, что компенсирует их дороговизну [2].

Соединительные платы

Соединительные платы являются особыми разновидностями многослойных печатных плат. Как правило, они содержат много разъемов, которые устанавливаются впрессовыванием хвостовиков разъемов в металлизированные отверстия печатных плат (press-fit pins). Кроме этого, соединительные платы используются для распределения питания в системе. Они изготавливаются объединением в одну плату нескольких слоев питания и закреплением шин на ее внешних поверхностях. Для некоторых областей применения требуется монтаж на их поверхностях активных компонентов, таких как интегральные схемы в корпусах для поверхностного монтажа. Они сильно усложняют монтаж из-за необходимости припаивания компонентов с мелким шагом выводов на крупную и толстую печатную плату.

Многокристальные модули (МСМ)

Многокристальные модули, по существу, являются миниатюрными печатными платами. Миниатюризация достигается применением бескорпусных компонентов, таких как кристаллы интегральные схемы, и их прямой установкой на подложку с использованием проволочной разварки, монтажа перевернутым кристаллом, автоматизированным монтажом с ленты (ТАВ). Мотивацией использования многокристальных модулей является миниатюризация, снижение массы или необходимость расположить быстродействующие компоненты как можно ближе друг к другу для итогового достижения быстродействия модуля. Обычно многокристальные модули представляют собой третий уровень компоновки в системе между корпусными компонентами и несущей печатной платой. В результате этот дополнительный уровень компоновки практически всегда приводит к удорожанию и усложнению монтажа по сравнению с эквивалентными схемами в стандартных корпусах. Существует несколько типов компоновок многокристальных модулей.

Многокристальный модуль на многослойном основании (MCM-L)

Этот вариант многокристальных модулей производится из очень тонких слоев диэлектрика и металлических слоев с применением тех же технологий, которые применяются в производстве стандартных печатных плат. Элементы этой платы, такие как отверстия, посадочные места и проводники, намного мельче и требуют оснастку, аналогичную используемой в производстве полупроводников. Это наименее дорогостоящий тип многокристальных модулей для проектирования, обработки и производства. Для проектирования MCM-L можно использовать те же средства проектирования и методики, которые используются для печатных плат.

Многокристальный керамический модуль (MCM-С)

Этот вариант многокристального модуля изготавливается путем нанесения рисунка проводников на тонкие слои неотвержденного керамического материала, перфорированием и заливкой переходных отверстий металлсодержащей пастой, укладкой слоев и их обжигом для создания твердой многослойной керамической подложки. Этот вариант занимает второе место из наименее дорогостоящих типов оснований многокристальных модулей для проектирования, обработки и производства. В течение, по крайней мере, двух десятилетий он служил «рабочей лошадкой» компании IBM при создании крупных суперЭВМ. Можно использовать те же средства и методики проектирования, которые используются для печатных плат.

Многокристальный модуль послойного наращивания (MCM-D)

Этот вариант многокристальных модулей изготавливается путем осаждения чередующихся пленок органического диэлектрика и металла на подложке из силикона, керамики или металла. Технология проектирования и изготовления напоминает используемые при создании интегральных схем методы металлизации. Теплопроводность подложки достаточно хорошая. Поддержка со стороны проектирования и изготовления для MCM-D ограничена.

MCM-D/C, осаждаемый и спекаемый многокристальный модуль

Этот вариант многокристальных модулей является сочетанием спекаемой многослойной керамической подложки, содержащей общие цепи для группы модулей, осажденные слои проводников и изоляции, содержащие персональную разводку. Этот вариант сосредотачивает все проблемы каждой из используемых технологий и еще дополнительные проблемы, связанные с несогласованностью коэффициентов температурного расширения двух систем материалов.

Многокристальный кремниевый модуль (MCM-Si)

Как следует из его названия, эта технология многокристальных модулей начинается с кремниевой подложки, подобно той, что используют при производстве интегральных схем. Схемы проводников формируются с помощью диоксида кремния в качестве изолятора и алюминия или аналогичного металла для проводящего рисунка так же, как при сборке интегральной схемы. Фактически, те же средства проектирования и изготовления, которые используются для интегральных схем, используются для создания модулей MCM-Si.
Заметным преимуществом MCM-Si является то, что подложки для них изготавливаются из того же материала, что и интегральные схемы, которые будут потом на них монтироваться. Поэтому у них отсутствует термомеханическое рассогласование с подложками интегральных схем, чем обеспечивается самым надежный контакт даже при экстремальных температурах.

Краткий итог по МСМ-технологиям

Корпусирование по технологиям многокристальных модулей можно считать действенным способом достижения более высоких рабочих характеристик ряда быстродействующих интегральных схем, чем при монтаже интегральных микросхем на печатной плате, или способом уменьшения размера и массы. В действительности более высокие уровни интеграции почти всегда приводят к более рентабельным решениям. Для специальных целей, таких как аэрокосмическая электроника и специализированные процессоры для оборудования с очень высокими эксплуатационными характеристиками, длительное время это оправдывало себя. Похоже, что так оно и будет продолжаться, по мере того как полупроводниковая технология продолжит увеличение функциональности в пределах одной интегральной схемы.
В том же случае, когда высококачественное изделие нуждается в интегральных схемах, которые выполнены по другим технологиям, таким как аналоговые, или CMOS, или ECL и CMOS, то интеграция не может представлять разумную альтернативу многокристальным модулям. Примерами такого типа продукции являются высокопроизводительные графические станции и оборудование обработки видеосигналов.

Процессы проектирования печатных плат и выбор материалов для их изготовления существенно зависят от типа аппаратуры — аналоговой или цифровой. Платы для аналоговой аппаратуры требуют большей точности исполнения геометрических характеристик, но проще по конструкции. Цифровые платы, как правило, сложные многослойные со специализированными слоями, но не требующими такой точности воспроизведения геометрии, как аналоговые. В последнее время расширяется использование многокристальных модулей на керамической подложке, обеспечивающих отличный теплоотвод, что позволяет использовать несоизмеримо высокую плотность компоновки элементов, высокую производительность вычислительных процессов.