Повышение надежности и качества сложных печатных плат с помощью стандартов IPC

Основным докладчиком на семинаре выступил Ларс Валлин, представитель IPC в Европе, Швеция (см. рис. 1). Комментировал доклад Александр Акулин, технический директор PCBtech, перевод осуществлял Юрий Ковалевский, представитель IPC в России.

Рис. 1. Ларс Валлин, представитель IPC в Европе

В начале выступления Ларс Валлин кратко рассказал о своей профессиональной карьере и познакомился с составом аудитории по роду деятельности специалистов.

Первая часть доклада была посвящена МПП высокой плотности и началась с краткой исторической справки по эволюции электронных сборок: от проводной коммутации электронных ламп в 40-х годах прошлого века до штабелированных кристаллов и корпусов, а также внутренних пассивных компонентов в наше время. Прогресс индустрии электронных компонентов определил и развитие МПП — в частности, привел к разработке технологии плат высокой плотности (HDI).

Данная технология — это, в первую очередь, технология микропереходных отверстий (МПО) или металлизированных глухих отверстий диаметром ≤150 мкм, выполненных в тонких основаниях для получения межсоединений между поверхностным и смежным слоем. HDI МПП состоит из обычных слоев с механической сверловкой и слоев с МПО с последовательной лазерной сверловкой. К основным способам изготовления МПО относятся:

– сверловка УФ-лазером;

– сверловка СО2-лазером;

– плазменное травление;

– механическая сверловка.

В качестве иллюстрации были приведены примеры МПО, полученных лазерной сверловкой.

Далее докладчик перечислил пять причин использования HDI МПП:

Низкая стоимость — уменьшение числа слоев на 1/3, уменьшение размеров на 40%, большая плотность;

Улучшение характеристик — ПП тоньше, легче и меньше при увеличенной плотности проводников и улучшенных электрических характеристиках;

Возможность применения новейших корпусов — BGA, CSP, Flip-Chip, CCGA;

Более быстрый вывод на рынок — быстрая разработка топологии, проще размещение компонентов для двустороннего поверхностного монтажа, больше места под компоненты;

Повышенная надежность — испытания показали высокую надежность МПО, более широкий выбор диэлектриков, отношение диаметра к глубине < 1:1, улучшенные тепловые параметры.

С другой стороны, нельзя закрывать глаза и на имеющиеся проблемы технологии:

Увеличение числа при уменьшении шага выводов компонентов;

Обеспечение целостности сигналов при высокой производительности (снижение перекрестных наводок требует увеличение зазоров между проводниками, а увеличение зазоров означает увеличение числа слоев);

Необходимость снижения производственных затрат (малые зазоры и ширина проводников при большем количестве слоев вызовут увеличение цены).

Вообще, конструкция HDI МПП исповедует три новых принципа в отличие от конструкции со сквозными отверстиями:

– МПО должны заменить сквозные отверстия, а не применяться как дополнение к ним;

– следует применять новые конфигурации слоев, позволяющие отказаться от сквозных переходных отверстий;

– МПО следует располагать так, чтобы они образовывали «аллеи» для улучшения трассировки проводников.

Все вышеперечисленные принципы были проиллюстрированы рядом конфигураций HDI-слоев для различных применений, также были рассмотрены возможные виды микропереходных отверстий.

Значительная часть доклада была отведена конструкторским нормам HDI МПП. Были рассмотрены варианты рисунка отвода, методы выполнения отверстий в КП, варианты нанесения паяльной маски на переходном отверстии, зависимость образования пустот в МПО для различных типов корпусов от конструкции МПО.

В заключение этой части доклада был приведен ряд популярных конфигураций HDI МПП со сравнением количества операций изготовления, а также таких параметров, как стоимость, плотность трассировки, целостность питания и сигналов.

Рис. 2. Соответствие стандартов IPC различным этапам разработки и подготовки производства изделия

Следующий раздел был посвящен проектированию HDI МПП, подготовке конструкторской и технологической документации и их связи со стандартами IPC (см. рис. 2). В качестве наиболее полезных стандартов были отмечены:

– IPC-2141А — Руководство по конструированию высокоскоростных плат с управляемым импедансом;

– IPC-2251 — Руководство по компоновке высокоскоростных электронных схем;

– J-STD-609 — Маркировка и надписи на компонентах, печатных платах и электронных сборках для определения содержания свинца и других параметров;

– IPC-1752А — Методика описания материалов;

– IPC-2226 — Специализированный стандарт по конструированию плат высокой плотности;

– IPC/JPCA-2315 — Руководство по конструированию соединений высокой плотности и микропереходных отверстий;

– IPC-7351А — Общие требования к конструкциям и контактным площадкам для поверхностного монтажа;

– IPC-7095В — Конструкция и процесс изготовления изделий с BGA-компонентами.

Рис. 3. Соответствие стандартов IPC различным этапам изготовления ПП

Последовательность процесса изготовления 6-слойной HDI МПП на типичном производстве и соответствие различных этапов техпроцесса и стандартов IPC показаны на рисунке 3. Здесь докладчиком был также выделен ряд стандартов. По базовым материалам:

– IPC-4101С — Характеристики базовых материалов жестких и многослойных печатных плат;

– IPC/JPCA-4104 — Характеристики материалов для изделий высокой плотности и изделий с микропереходными отверстиями;

– IPC-9691А — Проводящие анодные нити;

– IPC-4562А — Металлическая фольга для печатных плат;

– IPC-4563 — Руководство по медной фольге, покрытой смолой, для печатных плат;

– IPC-4121 — Руководство по выбору основной конструкции многослойных печатных плат.

В качестве примеров были приведены таблицы со стандартными параметрами фольгированных диэлектриков, толщин фольги, препрегов, стеклоткани.

Также были упомянуты стандарты:

– IPC-600Н — Критерии приемки печатных плат;

– IPC-6016 — Оценка параметров и функциональные характеристики слоев и печатных плат высокой плотности.

Продемонстрировав на ряде слайдов последовательность операций техпроцесса изготовления МПП, г-н Валлин еще раз остановился на преимуществах плат с МПО:

– меньше сигнальных слоев;

– короче длина сигнальных проводников;

– интеграция резисторов;

– меньшее число отверстий, выполняемых механически;

– больше компонентов на той же площади;

– улучшенные РЧ-свойства;

– улучшенные характеристики по ЭМС;

– возможность отказаться от компонентов на одной стороне платы;

– снижение цены при той же функциональности;

– экологичность.

Завершили доклад об HDI МПП рекомендации по основным размерам конструктивных элементов плат.

Вторая часть семинара была отведена вопросам повышения надежности гибких и гибко-жестких плат с использованием стандартов IPC.

Заметив, что гибкие и гибко-жесткие печатные платы как класс продукции находятся еще в самом начале своего пути, г-н Валлин наглядно продемонстрировал, какие причудливые формы они могут принимать. И прежде чем переходить к вопросам технологии, проанализировал их достоинства и недостатки с экономической точки зрения. Основной вывод: гибко-жесткая ПП, как правило, стоит дешевле, чем обычная жесткая ПП, разъемы и кабели, при более высокой надежности изделия.

Далее докладчик рассмотрел ключевые моменты разработки конструкции гибких и гибко-жестких печатных плат, особое внимание уделив проводникам и площадкам, стойкости плат к изгибам, слабым местам. Очень подробно были разобраны достоинства и недостатки конструкций с адгезивом и без адгезива. Суммируя, в конструкциях гибких плат следует избегать:

– компонентов и переходных отверстий в областях изгиба;

– факторов, приводящих к изломам;

– необязательных компонентов на гибкой части;

– компонентов с малым шагом выводов на гибкой части;

– компонентов для монтажа в отверстия на гибкой части;

– перекрестных проводников на гибкой части;

– неправильных сочетаний материалов;

– слишком малых радиусов изгиба.

На конкретных примерах также было показано, как следует применять покровный слой, паяльную маску и усиления конструкций.

Что касается стандартов по базовым материалам для изготовления гибких и гибко-жестких печатных плат, были перечислены следующие:

– IPC-4202 — Гибкие базовые диэлектрические материалы для применения в ГПП;

– IPC-4203 — Пленки с адгезивным слоем для применения в качестве покровных листов ГПП и гибкие адгезивные монтажные пленки;

– IPC-4204 — Гибкие диэлектрики с металлизацией для применения в изготовлении ГПП;

– IPC-4101С — Жесткие платы (Гибко-жесткие ПП и жесткие части).

Как итог доклада, были показаны шаг за шагом все этапы изготовления двусторонней гибкой печатной платы и 8-слойной гибко-жесткой платы.

Многочисленные вопросы участников семинара не остались без ответов, а качество и количество раздаточных материалов буквально спровоцировали привести в этом отчете еще один рисунок — рисунок 4, который хотя и не иллюстрирует содержание докладов, но прекрасно его дополняет.

Рис. 4. Соответствие стандартов IPC различным этапам сборки ПП