Технология проводных плат

Применение МПП экономически оправдано лишь в серийном и круп­носерийном производстве ЭА. В мел­косерийном производстве на этапе разработки опытных образцов приме­няются другие методы, основанные на оптимальном сочетании печатного и объемного монтажа. Характерной осо­бенностью таких комбинированных методов является использование ДПП, имеющих шины земли и питания, контактные площадки под навесные ЭРЭ и ИМС, металлизированные пе­реходные и монтажные отверстия. Монтаж остальных электрических це­пей осуществляют путем раскладки проводов на одной из плоскостей пла­ты и создания контактных соедине­ний с элементами ДПП путем сварки или пайки.

Таким образом, имея стандартную конструкцию ДПП, изготовленную комбинированным позитивным мето­дом, с помощью проводного монтажа получают конструкцию, аналогичную 8- или 9-слойной МПП. При этом от­падает необходимость изготовления большого числа фотошаблонов, при­менения прессования и других опера­ций, характерных для МПП, что зна­чительно сокращает цикл изготовле­ния конструкции.

К комбинированным методам мон­тажа относятся:

– многопроводной упо­рядоченный фиксируемыми провода­ми;

– многопроводной неупорядочен­ный;

– стежковый неупорядоченный.

Многопроводной монтаж фиксируе­мыми проводами заключается в упоря­доченном прокладывании изолиро­ванных проводов на поверхности ДПП, закреплении их в слое адгезива и соединении с печатным монтажом с помощью металлизированных монтаж­ных отверстии. Метод разработан фир­мой Kollmorgen Corporation (США) и называется Multiwire. Материалом для изготовления многопроводных плат служит фольгированныи диэлектрик, на поверхности которого субтрактивным методом получают печатный монтаж. На обезжиренные поверхно­сти плат наносят адгезионныи слой, состоящий из прокладочной стекло­ткани СПТ-3-0,025 и клея ВК-32-200. Для монтажа применяют провод диаметром 0,1-0,2 мм в высокопрочной полиамидной изоляции (ПНЭТ-имид). Частичное отверждение адгезива осуществляется прессованием при темпе­ратуре 90-100 °С и давлении 0,5 МПа.

Укладку монтажного провода осуще­ствляют с помощью специальной голов­ки, оснащенной ультразвуковым при­жимом 1, ножом-отсекателем 2, труб­кой 3 для подачи провода (рис. 5.32). Наконечник прижима спрофилирован таким образом, что в процессе уклад­ки удерживает провод 4, утапливая его в адгезив 5, на поверхности платы 6 на 0,5 диаметра.

Рис.2.32. Схема укладки монтажного провода.

Технологические режимы укладки 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 отрезается ножом. Полное погружение проводников в слой адге­зива и окончательное отверждение последнего происходят в результате прес­сования при температуре 180°С под давлением 1,0-1,5 МПа.

Плата с закрепленными в адгезиве монтажными проводами подается на операцию сверления. Монтажные от­верстия сверлятся по программе та­ким образом, чтобы проводник в пла­те располагался по оси симметрии от­верстия. Практически реализуется шаг координатной сетки 0,625 мм. В ре­зультате сверления возможно навола­кивание диэлектрических материалов на торцы проводов. Поэтому необхо­дима операция гидроабразивной очи­стки отверстий, которая проводится особо тщательно, так как вскрытая площадь при сверлении торцов мон­тажного провода достаточно мала.

Для укладки проводников в адгезив используется отечественная установка с программным управлением от пер­фоленты (рис.2.33). Скорость коор­динатных перемещений составляет 5,0 м/мин, точность позиционирова­ния ±0,5 мм, потребляемая мощность 1,5 кВт. Максимальные размеры пла­ты 500x600 мм, поворот расклады­вающей головки до 90°, ультразвуко­вой генератор УЗГ-3-0.4 мощностью 400 Вт.

Рис. 2.33. Схема установки для трассировки проводов.

Операцией, определяющей надеж­ность электрического соединения про­водного и печатного монтажа, являет­ся химико-гальваническая металлиза­ция отверстий. Если на наружных слоях платы печатный монтаж не пре­дусмотрен, то ее перед сверлением и металлизацией защищают технологи­ческим лаком. Если печатный монтаж необходим, то применяют полуаддитивныи метод (рис. 2.34).

Рис.2.34. Схема технологического процесса изготовления многопроводной платы.

На одной стороне многопроводной платы можно разместить несколько слоев проводного монтажа, чередуя нанесение адгезива и раскладку проводов. Существенные недостатки мето­да – невысокая надежность монтаж­ных соединений провода с металли­зированными отверстиями, необходи­мость применения адгезива, высокая трудоемкость монтажа. Достоинства метода – высокая точность двусто­роннего монтажа с пересечением про­водов, оперативное внесение измене­ний в монтаж, автоматизация трасси­ровки проводов.

Для повышения надежности межслойных соединений разработан вариант многопроводного метода, отли­чающийся тем, что соединения объ­емных проводов и печатного монтажа осуществляются путем пайки прово­дов к монтажным площадкам, так как адгезионный слой наносится через трафарет и не закрывает отверстия и контактные площадки. Пайка выпол­няется монтажной головкой с про­граммным управлением, ее произво­дительность 300-400 точек в час. Ме­тод экономичен при производстве плат в количестве 500-1000 шт/год.

Суть многопроводного неупорядочен­ного монтажа незакрепленными прово­дами заключается в произвольном прокладывании изолированных мон­тажных проводов на поверхности ДПП и 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. В от­личие от метода Multiwire провода 1 (рис. 2.35) не приклеиваются к осно­ванию платы 2, а остаются свобод­ными и соединяются с монтажными площадками 4 указанными выше ме­тодами. В отверстия плат могут мон­тироваться элементы 3.

Рис.2.35. Схема проводного монтажа закрепленными проводами.

Достоинства метода – простота изготовления, ремонтопригодность, ав­томатизация трассировки и пайки проводников, высокая точность монтажа. Недостатки – односторонняя установка ЭРЭ и ИМС, необходи­мость дополнительных контактных площадок, большая степень свободы монтажных проводов.

Для изготовления специальной 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, что обеспечивает необходимую точность и коррозион­ную стойкость контактного соедине­ния. С этой целью на диэлектриче­скую основу с обеих сторон наносят фольгу из нержавеющей стали толщи­ной 76 мкм, на которой с внутренней стороны нанесен слой меди толщиной 35-50 мкм, а с наружной – тонкий слой никеля. Медное покрытие под стальными монтажными площадками выполняет функции теплоотвода (рис. 2.36).

Рис.2.36. Схема сварки монтажных проводов:

1,3 -электроды; 2 -провод; 4 - монтажная площадка; 5 -плата.

Разводка соединений осу­ществляется методом параллельного электрода с подачей импульса тока длительностью 2,5 мс. В процессе сварки провод 2 подается через труб­чатый электрод 3 и прижимается к монтажной площадке с некоторым усилием. Под давлением происходит удаление изоляции, сплющивание про­вода и образование контакта. Нижний электрод 1 подводится к монтажной площадке с противоположной стороны. При кратковременном импульсе выде­ление теплоты невелико, что не оказы­вает влияния на прочность сцепления стальной фольги с основанием платы.

Стежковый монтаж заключается в прокладывании изолированных про­водов по кратчайшим расстояниям на поверхности ДПП и в монтажных от­верстиях с образованием петель и последующим подпаиванием их к кон­тактным площадкам платы. Процесс осуществляется на станках с ЧПУ, а в качестве инструмента применяют иглу из нержавеющей стали, которая имеет внутренний диаметр, превышающий диаметр провода ПЭВТЛК 0,1-0,2 мм на 0,08-0,1 мм, а также скос с углом заточки 50-75°, длину 25-35 мм.

Игла, проходя через монтажное от­верстие, прокалывает пакет резино­вых прокладок, которые задерживают провод при обратном ходе иглы (рис. 5.37, а).После трассировки резиновые прокладки стягивают с пе­тель и проводят их лужение группо­вым методом в ванне припоя при тем­пературе (350±10) °С в течение 5-6 с (рис. 5.37, б).Кабельная бумага предохраняет поверхность ДПП при лу­жении и удаляется после выполнения операции. Подгибку и пайку петель на контактные площадки (рис.5.37, в) осуществляют вручную паяльником или на станках с ЧПУ.

Рис.2.37. Схема стежкового монтажа:

1 - провод; 2 - игла; 3 - плата; 4 - кабельная бумага;

5 - пакет резиновых прокладок; 6 - защитный слой.

Установка «Араке» имеет координат­ный стол, перемещающийся с шагом ±0,025 мм и максимальной скоростью 10 мм/с. Она позволяет вести стежко­вый монтаж на платах размерами 350x450 мм. Достоинства метода – снижение трудоемкости в 2-3 раза по сравнению с методами изготовления МПП, сокращение времени выпуска конструкторской документации с 30 дней для 6-8-слойной МПП до 5-6 дней, брак не превышает 5 %.

Несмотря на то, что отдельные опе­рации стежкового монтажа автоматизированны, в целом производитель­ность процесса невелика, так как ка­ждая операция требует продолжитель­ного ручного труда при сборке и раз­борке различных приспособлений.

Дальнейшим развитием проводного монтажа явилась разработка плат третьего поколения без печатного монтажа. Основанием таких плат яв­ляется лист толщиной 0,5-2 мм из проводящего материала (стали, алю­миниевого сплава и т. д.), который выполняет роль теплоотвода от мик­росхем и является шиной с нулевым потенциалом. В основании платы вы­полнены пазы, заполненные эластич­ным материалом, через который про­пущены тонкие изолированные про­вода марки ПЭВТЛК (рис.2.38). Ме­жду пазами установлены на теплопро­водный клей микросхемы с планарными и штыревыми выводами с ша­гом 2,5; 1,25 и 0,625 мм, а также дру­гие ЭРЭ.

Рис.2.38. Фрагмент конструкции теплопроводящей платы проводного монтажа:

1 -паяное соединение; 2 -вывод; 3 -элемент; 4 -контактная площадка;

5 -диэлектрический материал; 6 -проводящее основание; 7 -провод.

Преимущества плат с теплоотводом перед МПП: т

– улучшение теплоотвода в 2-3 раза;

– увеличение надежности работы, так как снижение температуры корпуса ИМС на 10°С увеличивает надеж­ность ее работы в 1,5-2 раза;

– повышение быстродействия из-за высокой тактовой частоты (65-100МГц) благодаря мощным ши­нам питания и хорошей электриче­ской развязке ИМС по питанию;

– отсутствие выброса химических сто­ков, содержащих тяжелые металлы (медь, никель, свинец, железо и др.), что в 20 раз экологически менее опасно;

– снижение затрат на разработку плат в 2раза, производственных площа­дей в 5 раз.

Новым направлением в технике монтажа является применение тканых коммутационных устройств (ТКУ), представляющих собой тканый мате­риал, изготовленный из электропро­водящих и диэлектрических нитей, с закрепленными на нем ЭРЭ и ИМС.

Рис.2.39. Тканное коммутационное устройство.

В общем виде ТКУ (рис. 2.39) пред­ставляет собой однослойное или многослойное изоляционное поле 1, изго­товленное из диэлектрических нитей. С двух сторон поля во взаимно пер­пендикулярных направлениях по ко­ординатам х и у проложены электро­проводящие нити 2 и 3, которые на наружной поверхности в заданных точках образуют монтажные узлы 4, выполняющие электрические соеди­нения между отдельными электропро­водящими нитями. На наружной по­верхности поля сформированы кон­тактные площадки 6, петли 5, служа­щие для присоединения выводов ЭРЭ, и удлиненные выводы 7, необходимые для подсоединения к разъемам.

ТКУ изготавливаются на ткацких автоматах, дополнительно снабженных механизмами подачи и натяжения элек­тропроводящих и диэлектрических ни­тей, а также петлеобразования. После изготовления ТКУ им придают жест­кость. Применяются следующие спо­собы фиксирования тканой структуры:

– тепловая обработка продувкой го­рячим воздухом или паром с темпе­ратурой 180-220°С для размягче­ния термопластичных тканей и по­следующей фиксации структуры;

– оплавление исходного материала тканей для герметизации кромок, отверстий, контактных площадок;

– компаундирование путем заливки сеточной структуры пластмассами с целью повышения механической жесткости и прочности ТКУ;

– пластифицирование-заливка струк­туры составами на основе кремний-органических каучуков для прида­ния гибкости, эластичности, химической стойкости и повышения климатической стойкости;

– формование–тепловой нагрев ткани с целью придания ей определенной пространственной формы и ее стабилизации.

Соединение электрических провод­ников в контактных узлах и присое­динение навесных ЭРЭ осуществля­ются контактной микросваркой. ТКУ имеют электрическое сопротивление проводящих нитей не более 0,1 Ом, прочность изоляции до 1000В, электрическое сопротивление изоляции 10-12 МОм, температурный диапазон -50...+65 °С, затухание 110 -120 дБ, электрическую емкость между элек­тропроводящими нитями 33-38 пФ.

Функционально ТКУ подразделяются на четыре группы (рис. 2.40).

– конструктивы,

– пла­ты,

– кабели;

– соединители

Рис. 2.40. Классификация ТКУ.

Каждая структура может быть одно- или многослойной с двухкоординатным, внутримодульным, внутриблочным или межблочным расположением нитей. Особенности технологии позво­ляют получать как гибкие и эластичные, так и жесткие коммутационные устрой­ства плоской или объемной формы. С экономической точки зрения производство ТКУ при существующем уровне развития текстильной промыш­ленности в 5-6 раз дешевле по срав­нению с печатным и проводным мон­тажом за 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 формировать блоки за­данной конфигурации и значительно меньшей массы. ТКУ имеют высокую надежность в условиях повышенных механических и климатических воздействий. К недостаткам метода относятся невысокая точность изготовле­ния коммутационных полей, трудоемкость присоединения элементов и низкая ремонтопригодность.