Файл: Контрольная работа по дисциплине Конструирование измерительных приборов Тема Конструирование печатных плат (ПП). Критерий числа слоев и материала основания пп.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.04.2024
Просмотров: 36
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
требует механической зачистки изоляции, она оплавляется от импульсно нагреваемого электрода головки и выполняет флюсующую роль при одновременно протекающей пайке провода к контактной площадке. Манипулятор робота имеет цифровое программное управление и перемещается по программе от одной контактной площадки к другой. Контактные площадки для дополнительного проводного монтажа в печатном рисунке ДПП должны быть размером 0,8
0,5 мм. Благодаря наличию изоляции на проводе при укладке допускается пересечение проводов друг с другом и с печатными проводниками платы. Доза припоя, необходимая для пайки, должна быть заранее нанесена на контактные площадки (путём сеткографического нанесения паяльной пасты) и затем оплавлена инфракрасным облучением.
Укладочная головка робота выполняет следующие операции: прокладывает провод и закрепляет его путём натягивания между заданными точками, осуществляет пайку с одновременным освобождением провода от изоляции в месте пайки, отрезает провод. Производительность робота при выполнении проводного монтажа на ДППдм составляет 200 шт. за смену для платы размером 170 150 мм, рассчитанной на 20 перемычек (эквивалент по топологии, выполненный на МПП, содержит четыре слоя, и его производственная технологичность, приведённая к трудоёмкости изготовления, в три раза ниже).
После укладки весь дополнительный, проводной монтаж, располагаемый с одной стороны платы, лакируется, что превышает его в монолитный слой толщиной около 0,4 мм, связанный с основанием ДПП в единое целое.
Технологичность конструкции МПП зависит главным образом от межслойных соединений. Неудовлетворительные контакты в межслойных соединениях могут снизить выход годных изделий до нуля, что свидетельствует о недостаточности конструкции МПП. Другим недостатком МПП является неприспособленность конструкции к внесению изменений в топологию. Трудоёмкость разработки топологии МПП достигает в среднем 250 нормо-часов. После завершения топологических работ, изготовления оригиналов, рабочих фотошаблонов, программных перфолент для сверлильных станков сложно вносить какие либо, даже самые незначительные изменения в топологию МПП. Изменение одной печатной соединительной линии почти равносильно новой разработке технологической оснастки. РЭА средней сложности содержит около 50 наименований МПП. Можно представить, к какой дополнительной трудоёмкости и задержкам по срокам приводит такая неприспособленность конструкции МПП к внесению изменений. Тем более отчетливо
выявляются преимущества конструкции ДППдм, где изменения требуют, как правило, лишь смены перфоленты робота, выполняющего укладку проводного монтажа.
печатный плата рисунок плотность
Безотказность при температурных воздействиях. Безотказность частей РЭА 1-го структурного уровня, находящихся под защитой кожуха и других несущих конструкций высших уровней, сводится, по существу, к безотказность в условиях воздействия двух главных факторов: тепла (холода) и влаги. Действие температуры проявляется не только во время эксплуатации, но и при сборке печатных узлов с пайкой на волне припоя при температуре до 2500С. Во время эксплуатации перепады температуры
= 80 К с медленным прогревом или охлаждением печатного узла являются обычным явлением.
Наиболее слабым местом, вызывающим отказы под воздействием температуры, является соединение металла с металлом в сложной структуре ПП, особенно металла внутренних слоёв МПП со слоем металлизации в отверстии. Температура оказывает разрушительное действие из-за существенного различия в температурном коэффициенте расширения (ТКР) металла и пластмассы, входящих в структуру ПП. Действительно, ТКР стеклотекстолита 46·10-6 К-1, меди 16·10-6 К-1.
В результате получаем в паре медь - стеклотекстолит
ТКР = 30·10-6. На длине 170 мм при температурном перепаде = 80 К смещение слоёв меди и стеклотекстолита относительно друг друга составит l = ТКР l = 30·10-6 170·80 = 0,4 мм.
Если принять во внимание, что в печатном узле соединитель большим числом выводов впаян в плату посередине её длинны 170 мм, то естественно представить указанное расширение распространяющимся от центральной оси влево и вправо. Тогда смещение концов длинной стороны ПП будет по 0,2 мм. В действительности смещение слоёв не произойдёт благодаря высокой адгезии между слоями и текучести материала. Однако текучесть материала сопровождается (точнее, вызывается) внутренними механическими напряжениями, которые, локализуясь у неоднородностей (например, у сквозных контактных узлов), могут вызвать их разрушение.
Эффективным направлением конструирования с целью повысить безотказность печатных узлов при температурных воздействиях является, во-первых, ограничение габаритных размеров ПП типоразмером 170 150 мм и, во-вторых, переход от МПП, где это возможно, к ДППдм.
Защита от влаги с помощью покрытия. Второй климатический фактор, воздействующий на печатный узел и приводящий к отказам, - влага. Если конструктор не примет защитных мер, то через несколько месяцев хранения во влажной атмосфере незащищённый печатный узел будет повреждён и вскоре после включения его возникает отказ. Причиной будет чувствительный к влаге элемент - нелакированная ПП.
Механизм повреждения ПП под действием влаги вызван планарностью конструкции, где промежутки между отдельными проводниками заполнены материалом основания. В условиях незначительной влажности и постоянной температуры, предотвращающих адсорбцию влаги на поверхности, и при отсутствии пыли такая поверхность обладает высоким сопротивлением изоляции и малыми токами утечки. При повышенной влажности, перепадах температуры, при наличии пыли и спор плесневых грибов изоляционная поверхность покрывается адсорбционным слоем влаги и загрязнений. Слой характеризуется ионной проводимостью, и уже он, а не исходный диэлектрический материал основания определяет электрическую прочность межэлектродного промежутка, токи утечки, диэлектрические потери. После пайки с флюсом его следы на поверхности ПП, самые незначительные, сохранившиеся после промывки в порах основания, растворяются постепенно в адсорбционном слое, увеличивая точки утечки на три-четыре порядка. При включении такого печатного узла под напряжение возникает электролитический процесс, приводящий к отказу аппаратуры.
После нанесения золотого или серебряного покрытия на печатные проводники, что часто практикуется зарубежными фирмами с целью улучшить коррозионную стойкость и паяемость, опасно образование дендритов на проводнике, играющем роль катода, при наличии ионов хлоридов и других галогенов. Рост дендритов, опасных возможностью замыкания в узком промежутке, сопровождается образованием комплексов ионов золота и серебра с группой OH, коллоидных сгустков размером около 1 нм и электролитическим растворением металла покрытия со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Защита от влаги, а также от опасных механических повреждений предусматривается конструктором в виде покрытия печатного узла после сборки слоем лака. Органическое покрытие создаёт барьер воздействию влаги и загрязнений на межэлектродный диэлектрик, предохраняет тонкие печатные проводники от разрушающих царапин, полезно влияет на резонансные механические свойства ПП как упругой пластины. Такое защитное покрытие неизбежно повышает собственную ёмкость на 20-30%, и это следует учитывать при расчётах схем.
Слой лака или органического компаунда проницаем для влаги в неблагоприятных условиях при длительном (30 суток) воздействии. Неблагоприятными условиями являются наличие на поверхности компаунда ионных примесей, термоциклирование, приложение питающего постоянного напряжения. В таких условиях сквозь слой медленно диффундируют молекулы влаги и ионы галогенов. Диффузия длится десятки суток и поэтому опасна преимущественно при длительном воздействии влаги. Если влага воздействует непрерывно не более нескольких часов и этот период сменяется прогревом с полным удалением влаги с поверхности защитного слоя, то диффундирующие молекулы H2O не успевают достичь поверхности изделия и не возникает условий для осмоса.
Решающее значение перед лакировкой имеет подготовка поверхности, состоящая из двух операций: тщательной отмывки от остатков флюса и загрязнений, появившихся при сборке, и сушки, причём сушка должна производиться непосредственно перед нанесением покрытия, чтобы исключить образование адсорбционного слоя влаги под покрытием и повысить адгезию.
Для влагозащитного покрытия печатного узла конструктор должен назначать материалы без растворителей, наносимые однократно путём распыления расплава или порошка с последующим оплавлением. При использовании лака с растворителем плёнка после сушки имеет повышенную микропористость, вызванную улетучиванием растворителя. Лак с растворителем должен наноситься дважды с промежуточной сушкой, чтобы перекрыть поры, что удваивает трудоёмкость операции влагозащиты печатного узла, т.е. снижает технологичность.
Материал покрытия должен обеспечить высокую адгезию и эластичность (большое относительное удлинение) плёнки после нанесения. Если адгезия лака к материалам, входящим в состав печатного узла, окажется слабой (хотя бы к одному из материалов), то со временем под действием температурных перепадов и влаги окружающего воздуха в отдельных местах покрытия образуются макропоры и щели. Они будут капиллярно засасывать влагу. При недостаточной эластичности покрытие в условиях температурных перепадов будет разрывать тонкие печатные проводники под действием внутренних механических напряжений. Внутренние механические напряжения возникают в покрытии по двум причинам: при усадке во время полимеризации, так как полимер приобретает более компактную пространственную структуру (при нанесении мономерного раствора в виде лака), и при температурных изменениях как следствие различия температурных коэффициентов покрытия и покрываемых материалов. В зависимости от конкретного участка печатного узла
0,5 мм. Благодаря наличию изоляции на проводе при укладке допускается пересечение проводов друг с другом и с печатными проводниками платы. Доза припоя, необходимая для пайки, должна быть заранее нанесена на контактные площадки (путём сеткографического нанесения паяльной пасты) и затем оплавлена инфракрасным облучением. Укладочная головка робота выполняет следующие операции: прокладывает провод и закрепляет его путём натягивания между заданными точками, осуществляет пайку с одновременным освобождением провода от изоляции в месте пайки, отрезает провод. Производительность робота при выполнении проводного монтажа на ДППдм составляет 200 шт. за смену для платы размером 170
150 мм, рассчитанной на 20 перемычек (эквивалент по топологии, выполненный на МПП, содержит четыре слоя, и его производственная технологичность, приведённая к трудоёмкости изготовления, в три раза ниже).После укладки весь дополнительный, проводной монтаж, располагаемый с одной стороны платы, лакируется, что превышает его в монолитный слой толщиной около 0,4 мм, связанный с основанием ДПП в единое целое.
Технологичность конструкции МПП зависит главным образом от межслойных соединений. Неудовлетворительные контакты в межслойных соединениях могут снизить выход годных изделий до нуля, что свидетельствует о недостаточности конструкции МПП. Другим недостатком МПП является неприспособленность конструкции к внесению изменений в топологию. Трудоёмкость разработки топологии МПП достигает в среднем 250 нормо-часов. После завершения топологических работ, изготовления оригиналов, рабочих фотошаблонов, программных перфолент для сверлильных станков сложно вносить какие либо, даже самые незначительные изменения в топологию МПП. Изменение одной печатной соединительной линии почти равносильно новой разработке технологической оснастки. РЭА средней сложности содержит около 50 наименований МПП. Можно представить, к какой дополнительной трудоёмкости и задержкам по срокам приводит такая неприспособленность конструкции МПП к внесению изменений. Тем более отчетливо
выявляются преимущества конструкции ДППдм, где изменения требуют, как правило, лишь смены перфоленты робота, выполняющего укладку проводного монтажа.
3. Безотказность и сохраняемость печатных узлов при климатических воздействиях
печатный плата рисунок плотность
Безотказность при температурных воздействиях. Безотказность частей РЭА 1-го структурного уровня, находящихся под защитой кожуха и других несущих конструкций высших уровней, сводится, по существу, к безотказность в условиях воздействия двух главных факторов: тепла (холода) и влаги. Действие температуры проявляется не только во время эксплуатации, но и при сборке печатных узлов с пайкой на волне припоя при температуре до 2500С. Во время эксплуатации перепады температуры
= 80 К с медленным прогревом или охлаждением печатного узла являются обычным явлением.Наиболее слабым местом, вызывающим отказы под воздействием температуры, является соединение металла с металлом в сложной структуре ПП, особенно металла внутренних слоёв МПП со слоем металлизации в отверстии. Температура оказывает разрушительное действие из-за существенного различия в температурном коэффициенте расширения (ТКР) металла и пластмассы, входящих в структуру ПП. Действительно, ТКР стеклотекстолита 46·10-6 К-1, меди 16·10-6 К-1.
В результате получаем в паре медь - стеклотекстолит
ТКР = 30·10-6. На длине 170 мм при температурном перепаде = 80 К смещение слоёв меди и стеклотекстолита относительно друг друга составит l = ТКР l = 30·10-6 170·80 = 0,4 мм. Если принять во внимание, что в печатном узле соединитель большим числом выводов впаян в плату посередине её длинны 170 мм, то естественно представить указанное расширение распространяющимся от центральной оси влево и вправо. Тогда смещение концов длинной стороны ПП будет по 0,2 мм. В действительности смещение слоёв не произойдёт благодаря высокой адгезии между слоями и текучести материала. Однако текучесть материала сопровождается (точнее, вызывается) внутренними механическими напряжениями, которые, локализуясь у неоднородностей (например, у сквозных контактных узлов), могут вызвать их разрушение.
Эффективным направлением конструирования с целью повысить безотказность печатных узлов при температурных воздействиях является, во-первых, ограничение габаритных размеров ПП типоразмером 170
150 мм и, во-вторых, переход от МПП, где это возможно, к ДППдм.Защита от влаги с помощью покрытия. Второй климатический фактор, воздействующий на печатный узел и приводящий к отказам, - влага. Если конструктор не примет защитных мер, то через несколько месяцев хранения во влажной атмосфере незащищённый печатный узел будет повреждён и вскоре после включения его возникает отказ. Причиной будет чувствительный к влаге элемент - нелакированная ПП.
Механизм повреждения ПП под действием влаги вызван планарностью конструкции, где промежутки между отдельными проводниками заполнены материалом основания. В условиях незначительной влажности и постоянной температуры, предотвращающих адсорбцию влаги на поверхности, и при отсутствии пыли такая поверхность обладает высоким сопротивлением изоляции и малыми токами утечки. При повышенной влажности, перепадах температуры, при наличии пыли и спор плесневых грибов изоляционная поверхность покрывается адсорбционным слоем влаги и загрязнений. Слой характеризуется ионной проводимостью, и уже он, а не исходный диэлектрический материал основания определяет электрическую прочность межэлектродного промежутка, токи утечки, диэлектрические потери. После пайки с флюсом его следы на поверхности ПП, самые незначительные, сохранившиеся после промывки в порах основания, растворяются постепенно в адсорбционном слое, увеличивая точки утечки на три-четыре порядка. При включении такого печатного узла под напряжение возникает электролитический процесс, приводящий к отказу аппаратуры.
После нанесения золотого или серебряного покрытия на печатные проводники, что часто практикуется зарубежными фирмами с целью улучшить коррозионную стойкость и паяемость, опасно образование дендритов на проводнике, играющем роль катода, при наличии ионов хлоридов и других галогенов. Рост дендритов, опасных возможностью замыкания в узком промежутке, сопровождается образованием комплексов ионов золота и серебра с группой OH, коллоидных сгустков размером около 1 нм и электролитическим растворением металла покрытия со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Защита от влаги, а также от опасных механических повреждений предусматривается конструктором в виде покрытия печатного узла после сборки слоем лака. Органическое покрытие создаёт барьер воздействию влаги и загрязнений на межэлектродный диэлектрик, предохраняет тонкие печатные проводники от разрушающих царапин, полезно влияет на резонансные механические свойства ПП как упругой пластины. Такое защитное покрытие неизбежно повышает собственную ёмкость на 20-30%, и это следует учитывать при расчётах схем.
Слой лака или органического компаунда проницаем для влаги в неблагоприятных условиях при длительном (30 суток) воздействии. Неблагоприятными условиями являются наличие на поверхности компаунда ионных примесей, термоциклирование, приложение питающего постоянного напряжения. В таких условиях сквозь слой медленно диффундируют молекулы влаги и ионы галогенов. Диффузия длится десятки суток и поэтому опасна преимущественно при длительном воздействии влаги. Если влага воздействует непрерывно не более нескольких часов и этот период сменяется прогревом с полным удалением влаги с поверхности защитного слоя, то диффундирующие молекулы H2O не успевают достичь поверхности изделия и не возникает условий для осмоса.
Решающее значение перед лакировкой имеет подготовка поверхности, состоящая из двух операций: тщательной отмывки от остатков флюса и загрязнений, появившихся при сборке, и сушки, причём сушка должна производиться непосредственно перед нанесением покрытия, чтобы исключить образование адсорбционного слоя влаги под покрытием и повысить адгезию.
Для влагозащитного покрытия печатного узла конструктор должен назначать материалы без растворителей, наносимые однократно путём распыления расплава или порошка с последующим оплавлением. При использовании лака с растворителем плёнка после сушки имеет повышенную микропористость, вызванную улетучиванием растворителя. Лак с растворителем должен наноситься дважды с промежуточной сушкой, чтобы перекрыть поры, что удваивает трудоёмкость операции влагозащиты печатного узла, т.е. снижает технологичность.
Материал покрытия должен обеспечить высокую адгезию и эластичность (большое относительное удлинение) плёнки после нанесения. Если адгезия лака к материалам, входящим в состав печатного узла, окажется слабой (хотя бы к одному из материалов), то со временем под действием температурных перепадов и влаги окружающего воздуха в отдельных местах покрытия образуются макропоры и щели. Они будут капиллярно засасывать влагу. При недостаточной эластичности покрытие в условиях температурных перепадов будет разрывать тонкие печатные проводники под действием внутренних механических напряжений. Внутренние механические напряжения возникают в покрытии по двум причинам: при усадке во время полимеризации, так как полимер приобретает более компактную пространственную структуру (при нанесении мономерного раствора в виде лака), и при температурных изменениях как следствие различия температурных коэффициентов покрытия и покрываемых материалов. В зависимости от конкретного участка печатного узла
