Двусторонняя печатная плата (Double-Sided PCB) — это печатные платы, обе стороны которой покрыты проводящим слоем медной фольги и на которых можно размещать проводящие схемы. Ее конструкция состоит из изолирующей подложки в середине и слоев медной фольги по обеим сторонам подложки, а электрическое соединение между сторонами платы осуществляется с помощью металлизированных сквозных отверстий (Plated Through Hole, сокращенно PTH).
Процесс изготовления металлизированных сквозных отверстий заключается в том, что сначала выполняется сверление, а затем с помощью химического осаждения меди и гальванического меднения на стенках отверстий формируется проводящий слой, что обеспечивает надежное и стабильное межслойное соединение. По сравнению с односторонней печатные платы, наиболее заметной особенностью двусторонняя печатная плата является то, что трассы могут располагаться на обеих сторонах подложки и соединяться с помощью переходных отверстий. С точки зрения технологического процесса, при изготовлении двусторонняя печатная плата добавляется еще один важнейший этап — осаждение меди (то есть металлизация отверстий).
Подробное описание процесса изготовления двусторонняя печатная плата (PCB), охватывающее основные технологические этапы:
1.Проектирование и подготовка документации
Проектирование схемы: с помощью программного обеспечения для автоматизации проектирования (EDA), такого как Altium, KiCad и т. д., создается принципиальная схема.
Размещение и трассировка: компоненты рационально размещаются на обеих сторонах двусторонняя печатная плата и соединяются проводниками (расположенными соответственно на верхнем и нижнем слоях).
Создание производственной документации:
Файлы Gerber: файлы с графической информацией о медной фольге, трафаретной печати и паяльной маске для каждого слоя.
Файлы сверления: используются для определения положения и диаметра отверстий, в формате Excellon.
Схема IPC: используется для проверки электрических соединений.
2.Этап подготовки основания
Выбор основания: обычно выбирается FR-4 (стекловолоконная пластина с эпоксидной смолой), покрытая медной фольгой с обеих сторон.
Раскрой: резка основания в соответствии с размерами, указанными в проекте.
3.Перенос рисунка на внутренние слои (осуществляется синхронно с обеих сторон)
Очистка медной поверхности: удаление окисного слоя, масляных загрязнений и других примесей с медной поверхности.
Нанесение фоторезиста: равномерное нанесение светочувствительной краски (сухой или жидкой) на обе стороны методом распыления или валикования.
Процесс экспонирования:
Накрыть обе стороны медной фольги подготовленной матрицей (пленкой), а затем облучить ультрафиолетом.
В процессе негативной печати фоторезист в области экспонирования затвердевает.
Проявление: с помощью щелочного раствора растворяется незатвердевший слой фоторезиста, обнажая области меди, подлежащие травлению.
4.Этап травления
Кислотное травление: путем распыления раствора хлористого железа или аммонийно-медного травителя растворяется обнаженная медная фольга.
Очистка от фоторезиста: удаление затвердевшего фоторезиста с сохранением заданного рисунка медных дорожек.
5.Процесс ламинирования и сверления
Окисление (этот этап является опциональным): укрепление сцепления между медной поверхностью и смолой.
Механическое сверление:
Сверление сквозных отверстий и монтажных отверстий с помощью сверлильного станка с числовым программным управлением (ЧПУ).
Контроль ключевых параметров: правильная настройка скорости вращения сверла и скорости подачи для предотвращения образования заусенцев.
Осаждение меди (PTH):
Химическое осаждение меди: нанесение на стенки отверстий слоя проводящего материала толщиной в несколько микрометров для металлизации отверстий.
Утолщение медного слоя: утолщение медного слоя на стенках отверстий до 20–25 мкм для обеспечения бесперебойной электропроводимости.
6.Перенос рисунка на внешний слой и этапы гальваники
Экспонирование и проявление пленки: повторение операций из шага 3 для создания рисунка внешнего слоя.
Процесс гальванического нанесения рисунка:
Гальваническое нанесение меди: повторное утолщение слоя меди на трассировках и стенках отверстий до толщины не менее 35 мкм.
Гальваническое нанесение олова: нанесение слоя олова в качестве защитного слоя от травления.
7.Травление внешнего слоя и удаление олова
Щелочное травление: удаление незащищенной медной фольги, не относящейся к трассе.
Обезжиривание олова: удаление слоя олова, чтобы обнажить нижний слой медной трассы.
8.Обработка паяльной маски (зеленая краска)
Нанесение паяльной краски: с помощью трафаретной печати или распыления на плату наносится жидкая светочувствительная паяльная краска (обычно зеленого цвета).
Экспонирование и проявление: с помощью фотоматериала определяются области отверстий (чтобы обнажить контактные площадки и тестовые точки).
Отверждение: краска затвердевает в результате обжига при высокой температуре.
9.Процесс обработки поверхности
Возможные типы обработки:
Напыление олова (HASL): нанесение слоя олово-свинцового сплава на контактные площадки для повышения паяемости.
Глубокое электролитное озолочение (ENIG): сначала наносится никелевое покрытие, затем слой золота; обладает антиокислительными свойствами, подходит для тонких выводов.
OSP: нанесение органической защитной пленки; низкая стоимость, но требует скорейшего выполнения пайки.
10.Трафаретная печать
Печать текста: с помощью белой краски на верхнем и нижнем слоях наносится трафаретная печать с обозначениями компонентов, логотипами и другой информацией.
Отверждение: отверждение слоя с текстом путем УФ-облучения или термической обработки.
11.Этапы формовки и тестирования
V-образный разрез или фрезеровка краев: панель разрезается на отдельные печатные платы.
Электрические испытания (E-Test):
Тестирование с помощью летающих игл: с помощью подвижных щупов проверяется наличие обрывов или коротких замыканий (подходит для мелкосерийного производства).
Тестирование на контактной панели: проведение серийного тестирования с использованием специальных приспособлений (обеспечивает высокий охват).
AOI-контроль: проверка наличия дефектов в трассировке с помощью технологии автоматического оптического контроля.
12.Окончательный контроль и упаковка
Визуальный контроль/выборочная проверка по стандарту IPC: проверка размеров, внешнего вида и функциональности продукции.
Вакуумная антистатическая упаковка: предотвращение повреждений и окисления во время транспортировки.
Ключевые моменты
Требования к точности совмещения: двухсторонние рисунки должны быть строго совмещены, что достигается с помощью позиционирующих отверстий или мишеней.
Гарантия надежности медных отверстий: качество процесса гальванического омеднения оказывает важное влияние на срок службы межслойных соединений.
Ключевые моменты контроля импеданса: для высокочастотных сигнальных линий необходимо точно рассчитать ширину линии и толщину диэлектрического слоя.
Рекомендации по оптимизации DFM: на этапе проектирования необходимо в полной мере учитывать производственные процессы, например, избегать появления острых углов в трассировке.
Основные области применения двусторонняя печатная плата
Потребительская электроника: бесспорный «гигант» спроса
Среди множества областей потребительская электроника занимает первое место по объему спроса.
Сфера смартфонов и планшетов
Несмотря на то, что в качестве основной многослойные печатные платы чаще всего используются многослойные печатные платы, в большом количестве вспомогательных модулей и соединительных плат, таких как платы модулей камер, платы сканеров отпечатков пальцев, платы различных датчиков, платы клавиш, платы управления батареями, платы разъемов для наушников, а также некоторые внутренние платы зарядных устройств, широко используются двухсторонние печатные платы.
Область компьютеров и периферийных устройств
Внутри настольных компьютеров и ноутбуков двухсторонние печатные платы являются распространенным выбором для таких компонентов, как платы расширения, звуковые платы, некоторые сетевые карты, платы питания (вторичная сторона), платы клавиатуры и мыши, платы управления дисплеем, а также платы управления принтерами и сканерами.
Сфера бытовой техники
Двусторонние печатные платы играют важную роль в некоторых функциональных модулях логических плат телевизоров, а также в платах питания, платах управления кондиционерами, стиральными машинами, микроволновыми печами, рисоварками, индукционными плитами, электрическими вентиляторами, а также в платах управления интеллектуальными светильниками и т. д.
Область аудио- и видеооборудования
Двухсторонние печатная плата широко используются в усилителях звука, на главных платах Bluetooth-колонок, в приставках, на платах некоторых DVD-плееров, а также в платах для игровых контроллеров и т. д.
Область устройств «умного дома»
Двухсторонние печатные платы, благодаря своим преимуществам, являются идеальным выбором для множества продуктов, таких как различные датчики (например, датчики температуры и влажности, магнитные датчики для дверей и окон, датчики присутствия человека), а также «умные» выключатели, «умные» розетки и субмодули шлюзов.
Область промышленного управления и автоматизации
Платы управления для оборудования автоматизации производств, платы интерфейсов датчиков, некоторые платы привода двигателей, человеко-машинные интерфейсы, внутренние платы приборов (таких как мультиметры, щупы осциллографов, измерители напряжения и т. д.), а также модули ввода-вывода ПЛК и т. д. В промышленных условиях предъявляются высокие требования к надежности и стоимости, и в многих случаях двухсторонние печатные платы становятся оптимальным выбором, сочетающим в себе производительность и стоимость.
Область автомобильной электроники
Хотя в самых важных электронных блоках управления (ECU) автомобилей обычно используются многослойные печатные платы, внутри автомобиля имеется огромное количество модулей управления кузовом, таких как платы управления фарами (для управления освещением), платы управления стеклоподъемниками, платы управления дверными замками, платы управления стеклоочистителями, панели управления кондиционером, платы регулировки сидений, а также простые интерфейсные платы датчиков (например, внутренние платы передатчиков системы контроля давления в шинах) и вспомогательные платы развлекательных систем. С постоянным повышением уровня электронной автоматизации автомобилей объем использования двухсторонних плат в автомобильной электронике становится чрезвычайно большим.
Область светодиодного освещения
В сфере светодиодных светильников, будь то лампы накаливания, люминесцентные лампы, панельные светильники или уличные фонари, платы питания почти без исключения используют двухсторонняя печатная плата, что стало основной тенденцией и стандартной конфигурацией в этой области, а спрос на них чрезвычайно велик.
Область коммуникационного оборудования
В сетевом оборудовании, таком как маршрутизаторы, коммутаторы и оптические модемы, помимо высокопроизводительных основных чипов, для которых требуются многослойные печатные платы, для периферийных модулей, таких как модули питания, платы преобразования интерфейсов, платы индикаторов и платы управления вентиляторами, часто используются двухсторонние платы.
Область медицинской электроники (оборудование средней и низкой степени сложности)
Двусторонняя печатная плата также широко используются в тонометрах, глюкометрах, аппаратах для физиотерапии, а также в отдельных функциональных модулях мониторов, таких как сенсорные платы, платы управления дисплеем, клавиатурные платы, адаптеры питания и т. д.
Почему объем применения двухсторонние печатные платы на рынке настолько велик?
Превосходное соотношение цены и качества
По сравнению с односторонними платами, двухсторонние печатные платы обладают более широкими функциональными возможностями: они позволяют осуществлять двухстороннюю трассировку, что значительно увеличивает пространство для трассировки и повышает гибкость; при этом по сравнению с многослойными платами (4 слоя и более) они имеют значительное преимущество в стоимости благодаря относительно простому производственному процессу, что позволяет эффективно снизить производственные затраты.
Зрелость, стабильность и надежность
Технология производства двухсторонние печатная плата прошла длительный путь развития и совершенствования и в настоящее время является чрезвычайно зрелой. В процессе производства удается поддерживать высокий выход годного продукта, а надежность этих плат прошла длительную проверку рынком; они демонстрируют отличные характеристики в реальных условиях эксплуатации, обеспечивая надежную гарантию стабильной работы продуктов.
Соответствие широкому спектру требований
Среди множества электронных продуктов существует большое количество изделий со средней степенью функциональной сложности, для которых требования к скорости передачи сигнала не являются чрезмерно высокими, но требуется определенная степень интеграции. Для таких продуктов двухсторонние печатные платы представляют собой идеальный баланс между характеристиками и стоимостью, позволяя удовлетворить функциональные требования продукта без чрезмерного увеличения затрат.
Высокая степень свободы проектирования
Благодаря тщательному планированию компоновки и трассировки, а также рациональному использованию технологии переходных отверстий, двусторонняя печатная плата позволяют легко решать проблемы соединения большинства схем средней плотности, обеспечивая значительную свободу при проектировании схем и позволяя разработчикам более гибко реализовывать различные функции схем.
