Untitled - Sklep WSiP - Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne

Untitled - Sklep WSiP - Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne

Autorzy:
Zbigniew Szczepański,
Stafan Okoniewski
Projekt graficzny okładki i karty tytułowej Roman Kirilenko
Redaktor inicjujący Elżbieta Faron-Lewandowska
Redaktor merytoryczny Elżbieta Faron-Lewandowska
Redaktor techniczny Marzenna Kiedrowska
Fotografie: Zbigniew Szczepański
Recenzenci Wydawnictw Szkolnych i Pedagogicznych:
dr Ryszard Jezior, mgr inż. Ewa Karczewska
Podręcznik napisano zgodnie z obowiązującą podstawą programową i programem nauczania dla zawodu technik elektronik.
Podręcznik dopuszczony do użytku szkolnego przez ministra właściwego do
spraw oświaty i wychowania i wpisany do wykazu podręczników przeznaczonych
do nauczania zawodu technik elektronik na poziomie technikum i szkoły policealnej, na podstawie opinii rzeczoznawców: mgr inż. Anny Górskiej, mgr. inż.
Jana Krzemińskiego, dr. hab. Dariusza Rotta, mgr. inż. Jacka Szydłowskiego.
Numer dopuszczenia: 14/2007
ISBN 978-83-02-11565-3
© Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna
Warszawa 2007
Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna
02-305 Warszawa, Al. Jerozolimskie 136
Adres do korespondencji: 00-965 Warszawa P. poczt. 9
www.wsip.pl
Wydanie trzecie (2009)
Ark. druk. 18,5
Łamanie: Studio DeTePe, Paweł Rusiniak
Spis treci
1.
Materiaowe i technologiczne problemy procesu wytwarzania . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1. Charakterystyka materiaów konstrukcyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2. Budowa i waciwoci materiaów konstrukcyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3. Wpyw temperatury i cinienia na stan skupienia ciaa . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4. Ksztatowanie mechaniczne materiaów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.1. Odlewnictwo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.2. Obróbka plastyczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.3. Obróbka skrawaniem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5. Pytania i zadania sprawdzajce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.
Etapy przygotowania procesu produkcyjnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1. Opracowanie projektu wstpnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2. Opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3. Proces produkcyjny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.
Zasady przygotowania dokumentacji technicznej i stosowane narzdzia . . . 32
2.4.1. Zasady rzutowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.2. Przekroje na rysunku technicznym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.3. Wymiarowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.4. Dodatkowe oznaczenia na rysunkach technicznych . . . . . . . . . . 38
2.4.5. Metody wykonywania rysunków technicznych . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5. Normalizacja i zarzdzanie jakoci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.6. Ustalenia dotyczce przepisów bezpieczestwa i higieny pracy . . . . . . . . 42
2.7. Przepisy bhp na stanowisku pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8. Procedura uruchamiania urzdzenia na wybranym przykadzie
urzdzenia montaowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.9. Pytania i zadania sprawdzajce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.
Materiay stosowane w elektronice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1. Materiay konstrukcyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Materiay przewodzce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Materiay rezystywne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Materiay dielektryczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1. Dielektryki izolacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2. Materiay dielektryczne nieorganiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5. Materiay magnetyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1. Materiay magnetycznie mikkie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2. Materiay magnetycznie twarde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Tworzywa sztuczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7. Materiay stosowane na powoki ochronne i dekoracyjne . . . . . . . . . . . .
3.8. Noniki informacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8.1. Wywietlacze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8.2. Magnetyczne noniki informacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
www.wsip.pl
48
48
50
52
53
54
56
58
59
61
62
66
69
70
73
3
3.9.
4.
3.8.3. Cyfrowe noniki informacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.8.4. Póprzewodnikowe noniki informacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Pytania i zadania sprawdzajce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Konstrukcja i technologia elektronicznych podzespoów czynnych
i biernych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1. Rezystory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Kondensatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3. Elementy indukcyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4. Przyrzdy póprzewodnikowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5. Optoelektroniczne przyrzdy póprzewodnikowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6. Pytania i zadania sprawdzajce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
78
82
84
87
91
96
5.
Technologia obwodów drukowanych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1. Rodzaje obwodów drukowanych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2. Materiay stosowane na pytki obwodów drukowanych . . . . . . . . . . . . . . 99
5.3. Technologie stosowane do wytwarzania obwodów drukowanych . . . . . . 101
5.4. Operacje procesu wytwarzania obwodów drukowanych . . . . . . . . . . . . . 103
5.4.1. Wykonanie pocze midzy warstwami . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4.2. Wytwarzanie maski na powierzchni laminatu . . . . . . . . . . . . . . 105
5.4.3. Wytrawianie wzoru obwodu drukowanego . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.4.4. Wytwarzanie powok ochronnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.5. Projektowanie obwodu drukowanego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.5.1. Rozmieszczenie elementów na podou pytki . . . . . . . . . . . . . 109
5.5.2. Prowadzenie cieek obwodu drukowanego . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.5.3. Dokumentacja projektu obwodu drukowanego . . . . . . . . . . . . 112
5.5.4. Operacje procesu technologicznego na przykadzie wybranej
pytki obwodu drukowanego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.6. Pytania i zadania sprawdzajce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.
Technologia montau powierzchniowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2. Metody montau obwodów drukowanych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1. Monta powierzchniowy z zastosowaniem kleju . . . . . . . . . . . .
6.2.2. Monta powierzchniowy z zastosowaniem pasty
lutowniczej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3. Metody lutowania stosowane w montau powierzchniowym . . . . . . . . .
6.3.1. Lutowanie elementów na fali lutowia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.2. Lutowanie rozpywowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.3. Lutowanie w fazie gazowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4. Konstrukcja podzespoów do montau powierzchniowego . . . . . . . . . .
6.5. Lutowanie bezoowiowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6. Pytania i zadania sprawdzajce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
127
127
128
130
Konstrukcja i technologia mikroukadów elektronicznych . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1. Wstp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2. Klasykacja mikroukadów elektronicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3. Monolityczne ukady scalone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
147
147
148
150
7.
4
134
135
135
137
139
140
143
146
7.3.1.
7.3.2.
7.3.3.
7.4.
7.5.
7.6.
7.7.
7.8.
8.
Wprowadzenie do technologii póprzewodnikowej . . . . . . . . .
Konstrukcja monolitycznego ukadu scalonego . . . . . . . . . . . .
Przygotowanie materiau do wytwarzania monolitycznych
ukadów scalonych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.4. Nakadanie warstw epitaksjalnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.5. Wytwarzanie warstw dielektrycznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.6. Obróbka fotolitograczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.7. Procesy dyfuzji i implantacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.8. Wytworzenie metalizacji aluminiowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ukady hybrydowe cienkowarstwowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.1. Konstrukcja elementów warstwowych w ukadach
hybrydowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.2. Sposób rozmieszczenia elementów na podou i ich
poczenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.3. Metody osadzania warstw cienkich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.4. Metody ksztatowania struktur cienkowarstwowych . . . . . . . . .
7.4.5. Materiay stosowane na hybrydowe ukady
cienkowarstwowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.6. Elementy dyskretne ukadów hybrydowych . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.7. Warianty procesu technologicznego ukadu hybrydowego
cienkowarstwowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ukady hybrydowe grubowarstwowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.1. Proces nakadania warstw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.2. Obróbka termiczna warstw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.3. Materiay stosowane na hybrydowe ukady
grubowarstwowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.4. Operacje procesu wytwarzania hybrydowych ukadów
grubowarstwowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.5. Precyzyjne nanoszenie warstw grubych . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Moduy wielostrukturowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mikrosystemy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pytania i zadania sprawdzajce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Technologia montau przyrzdów póprzewodnikowych i ukadów
scalonych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2. Monta struktur do podoa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.1. Lutowanie eutektyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.2. Lutowanie lutem mikkim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.3. Klejenie struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3. Metody wykonywania pocze kontaktów struktury
z wyprowadzeniami ukadu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.1. Monta drutowy — zgrzewanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.2. Monta bezdrutowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4. Tworzywa polimerowe w poczeniach ukadów scalonych . . . . . . . . . .
8.4.1. Izotropowe kleje przewodzce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.2. Kleje nieprzewodzce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.3. Kleje anizotropowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
www.wsip.pl
151
152
156
161
163
164
169
171
176
177
180
180
183
184
186
187
189
190
192
194
196
198
200
204
205
207
207
208
209
211
213
215
215
221
225
226
226
227
5
8.5.
8.6.
Monta przestrzenny kilku struktur w jednej obudowie . . . . . . . . . . . . . 229
Pytania i zadania sprawdzajce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.
Hermetyzacja podzespoów i mikroukadów elektronicznych . . . . . . . . . . . . . .
9.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2. Hermetyzacja poprzez zamknicie ukadu w obudowie . . . . . . . . . . . . .
9.2.1. Metody zamykania obudów metalowych i ceramicznych . . . . .
9.3. Hermetyzacja przy uyciu tworzyw organicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1. Technologie hermetyzacji tworzywami sztucznymi . . . . . . . . . .
9.4. Hermetyzacja przy uyciu tworzyw nieorganicznych . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5. Ocena skutecznoci hermetyzacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6. Problemy odprowadzania ciepa z elementów elektronicznych . . . . . . .
9.7. Pytania i zadania sprawdzajce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
231
231
232
233
237
238
241
242
243
245
10.
Konstrukcja i technologia czujników pomiarowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1. Rola i znaczenie czujników pomiarowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2. Zapotrzebowanie na czujniki pomiarowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3. Rodzaje czujników pomiarowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.1. Czujniki wielkoci zycznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.2. Czujniki wielkoci chemicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.3. Czujniki stosowane w motoryzacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.4. Czujniki stosowane w systemach alarmowych . . . . . . . . . . . . . .
10.4. Pytania i zadania sprawdzajce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
247
247
247
249
250
258
263
266
268
11.
Wybrane podzespoy mechaniczne w konstrukcji sprztu elektronicznego . . .
11.1. Wiadomoci ogólne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2. Poczenia nierozczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3. Poczenia rozczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4. Elementy suce do przenoszenia ruchu obrotowego . . . . . . . . . . . . . .
11.5. Prowadnice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6. Sprzga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.7. Przekadnie mechaniczne i cignowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.8. Poczenia, zcza, przeczniki i przekaniki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.8.1. Poczenia owijane i zaciskane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.8.2. Zcza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.8.3. Przeczniki i przekaniki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.9. Pytania i zadania sprawdzajce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
270
270
270
274
276
277
277
278
280
280
281
283
287
Sowniczek wybranych terminów i poj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
Indeks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
5. Technologia obwodów drukowanych
Pytki obwodów drukowanych odgrywaj bardzo wan rol w nowoczesnym
sprzcie elektronicznym, umoliwiaj bowiem zarówno optymalne rozmieszczenie elementów skadowych urzdzenia, jak i ich elektryczne poczenie przy zastosowaniu technologii lutowania zapewniajcej du niezawodno pocze.
Obwody drukowane s podstawowym elementem konstrukcyjnym kadego
wspóczesnego urzdzenia elektronicznego. Wystpuj w sprzcie elektronicznym praktycznie niezalenie od jego klasy i przeznaczenia, poczwszy od zabawek elektronicznych, poprzez urzdzenia powszechnego uytku, urzdzenia
profesjonalne, koczc na najbardziej wyranowanym sprzcie wojskowym, medycznym i telekomunikacyjnym.
Obwód drukowany stanowi izolacyjna pytka dielektryczna pokryta foli miedzian, z której — po przeprowadzeniu procesów fotochemicznych — wytrawia
si cieki przewodzce oraz pola lutownicze (pod elementy elektroniczne) stanowice system elektrycznych pocze elementów urzdzenia. Pytka obwodu
drukowanego peni wic w sprzcie elektronicznym dwie podstawowe funkcje:
mocuje mechanicznie podzespoy elektroniczne i jednoczenie jest wspornikiem
mechanicznym dla tych elementów oraz czy je elektrycznie.
W ostatnich latach bardzo zwikszyy si wymagania producentów sprztu elektronicznego dotyczce pytek drukowanych. Wynika to z postpujcej miniaturyzacji sprztu oraz stosowania ukadów scalonych coraz bardziej zoonych, z du
liczb wyprowadze, bardzo gsto uoonych. To wszystko powoduje, e pytki obwodów drukowanych charakteryzuj si coraz wiksz gstoci pocze.
5.1. Rodzaje obwodów drukowanych
Przyjmujc jako kryterium podziau konstrukcje obwodów drukowanych, mona
wyróni obwody jednowarstwowe (jednostronne), obwody dwuwarstwowe oraz
obwody wielowarstwowe.
O wyborze okrelonego rozwizania konstrukcyjnego decyduj przede
wszystkim takie czynniki, jak: wymagana liczba elementów, liczba wyprowadze
doczanych elementów, dopuszczalne wymiary pól lutowniczych oraz moliwoci technologiczne i koszt wykonania.
Przy maym zagszczeniu elementów na pytce oraz obecnoci elementów
z ma liczb wyprowadze niezbyt gsto uoonych stosuje si obwody jednowarstwowe, zwane równie jednostronnymi, w których sie pocze miedzianych czcych elementy ukadu znajduje si po jednej stronie pytki (rys. 5.1).
www.wsip.pl
97
Takie obwody drukowane s stosowane
w ukadach o maej liczbie elementów i pocze, a ich koszty wytwarzania s najnisze w porównaniu z innymi rodzajami pytek
drukowanych. Stosuje si je gównie w sprzcie elektronicznym powszechnego uytku.
Rys. 5.1. Pytka drukowana jednostronna
Obwody dwuwarstwowe, czyli dwustronne, maj cieki poczeniowe oraz pola lutownicze rozmieszczone na obu powierzchniach podoa izolacyjnego, a do czenia
cieek drukowanych oraz lutowania wyprowadze elementów stosuje si punkty lutownicze z metalizowanymi otworami (rys. 5.2).
Pola lutownicze tych punktów s umieszczone w osi otworu, na obu powierzchniach
Rys. 5.2. Pytka drukowana dwustronna
z otworami metalizowanymi
podoa, i poczone ze sob warstw metaliczn pokrywajc powierzchni otworu.
Obwody takie stosuje si w sprzcie elektronicznym o duej gstoci pocze,
pracujcym przy znacznych naraeniach mechanicznych.
Pytki drukowane dwustronne dominuj w krajowej produkcji obwodów drukowanych i stanowi ponad 60% caej produkcji pytek drukowanych.
Obwody wielowarstwowe maj cieki drukowane umieszczone na kilku poziomach rozdzielonych warstwami dielektrycznymi sklejonymi ze sob. Poczenia midzywarstwowe s realizowane poprzez zastosowanie otworów metalizowanych, czcych ssiadujce poziomy metalizacji (rys. 5.3) i w przeciwiestwie
do obwodów dwustronnych mog to by równie otwory nieprzelotowe, które
nie s wykorzystywane do montau podzespoów.
Rys. 5.3. Przekrój obwodu wielowarstwowego
Takie mikropoczenia midzywarstwowe, wykonane w postaci otworów nieprzelotowych o rednicy 100÷150 μm, s realizowane przy wykorzystaniu obróbki
mechanicznej, obróbki laserowej oraz procesów fotochemicznych. Obecnie takie
otwory wykonuje si najczciej za pomoc lasera. Wykonanie otworów wymaga coraz doskonalszych procesów ich metalizacji, musz one bowiem umoliwi
osadzenie powoki zapewniajcej niezawodne poczenie midzywarstwowe.
98
Obwody wielowarstwowe stosuje si w sprzcie, w którym wystpuje bardzo
dua gsto pocze, a wic gównie w sprzcie komputerowym, w kamerach
wideo, telefonach komórkowych oraz specjalnym. Udzia wielowarstwowych
pytek drukowanych w asortymencie produkowanych pytek drukowanych wci
si zwiksza, a wynika to z cigej miniaturyzacji sprztu elektronicznego i coraz
wikszej jego zoonoci. Zapotrzebowanie na obwody wielowarstwowe charakteryzuje si najwiksz dynamik wzrostu.
Biorc pod uwag waciwoci mechaniczne pytek obwodów drukowanych,
rozrónia si trzy grupy obwodów drukowanych:
• obwody sztywne,
• obwody elastyczne,
• obwody sztywno-elastyczne.
Obwody drukowane sztywne stanowi dominujc grup w asortymencie produkowanych obwodów drukowanych. Do ich wytwarzania s stosowane laminaty
szklano-epoksydowe (zwane potocznie podoem FR-4), jak równie laminaty
fenolowo-papierowe, szklano-teonowe, a ostatnio coraz powszechniej uywa
si laminatów kompozytowych, które charakteryzuj si bardzo dobrymi waciwociami mechanicznymi oraz podatnoci na obróbk mechaniczn.
Obwody drukowane elastyczne s wytwarzane z elastycznego materiau elektroizolacyjnego w postaci folii poliimidowych, poliestrowych lub teonowych.
Najczciej stosowane s folie poliimidowe, które laminowane warstw miedzi
wystpuj pod rmow nazw Kapton. Obwody elastyczne cz poszczególne
bloki w urzdzeniach elektronicznych, a przykadem takiego zastosowania jest
poczenie w laptopach panelu wywietlacza ciekokrystalicznego LCD z jednostk sterujc.
Obwody drukowane sztywno-elastyczne stosuje si do przewodowego czenia pytek sztywnych. Obwód elastyczny stanowi jedn z warstw obwodu sztywnego. Unika si w ten sposób stosowania na pytce sztywnej zcza wielokontaktowego. Koszt wytwarzania takich obwodów jest wysoki i dlatego stosuje si je
gównie w zastosowaniach specjalnych.
5.2. Materiay stosowane na pytki
obwodów drukowanych
Do wytwarzania obwodów drukowanych s stosowane podoa izolacyjne laminowane foli miedzian, na jednej lub dwu powierzchniach podoa izolacyjnego, zwane równie laminatami. Grubo tych podoy zawiera si w przedziale
0,5÷3,0 mm, a wymiar wykonywanych obwodów dochodzi do 400÷600 mm. Do
wytwarzania obwodów wielowarstwowych stosowane s laminaty cienkowarstwowe gruboci 0,1÷0,6 mm.
Jednym z najstarszych, ale jednoczenie i najtaszych laminatów jest laminat fenolowo-papierowy charakteryzujcy si dobrymi waciwociami technologicznymi, których miar jest dobra podatno na obróbk mechaniczn. Dobre
www.wsip.pl
99
waciwoci elektryczne tych laminatów uzyskano kosztem gorszej wytrzymaoci
mechanicznej.
Laminaty szklano-epoksydowe s najpowszechniej stosowanym materiaem
do wytwarzania pytek obwodów drukowanych. Laminaty takie wykonuje si, nasycajc wókno szklane uformowane w postaci tkanin ywic epoksydow i klejc
ze sob warstwy pod duym naciskiem i w wysokiej temperaturze. Laminaty takie charakteryzuj si du wytrzymaoci mechaniczn, do dobr odpornoci na podwyszon temperatur, dobrymi waciwociami elektrycznymi oraz
du odpornoci na dziaanie czynników chemicznych stosowanych w czasie
wytwarzania obwodów.
Materiaem na obwody wielowarstwowe najlepiej speniajcym wymagania
jest wóknina aramidowa poczona z odpowiednim rodzajem ywicy. Poniewa
ma ujemny wspóczynnik rozszerzalnoci cieplnej, to w poczeniu z ywic, która
ma wspóczynnik dodatni, otrzymuje si materia o duej stabilnoci wymiarowej,
co jest bardzo korzystne przy produkcji wielkoformatowych wielowarstwowych
pytek drukowanych, due formaty bowiem znacznie obniaj koszty produkcji.
Równie gadko laminatów wzmocnionych wóknem aramidowym jest bardzo
dua, gdy znacznie przewysza gadko laminatów szklano-epoksydowych. Pozwala to w powtarzalny sposób wytworzy sie pocze drukowanych o bardzo
wskich ciekach, których szeroko zawiera si w przedziale 50÷100 μm.
Do czenia poszczególnych warstw pytek drukowanych wielowarstwowych
s stosowane folie klejowe wykonane z takiej samej tkaniny jak podoe laminatu i nasycone nieutwardzaln ywic. Waciwoci folii klejowej s wic identyczne z laminatem, w zwizku z czym pytka wielowarstwowa po sklejeniu ma
jednorodne waciwoci w caej objtoci.
Konwencjonalne pytki drukowane, wytwarzane na standardowych laminatach, mog by stosowane do transmisji sygnaów o czstotliwociach nie wikszych ni 2 GHz. Natomiast transmisja sygnaów o wikszych czstotliwociach
wymaga zastosowania innych materiaów podoa.
Na ukady mikrofalowe s stosowane laminaty mikrofalowe wytwarzane przez
rm Rogers Corp., oferujc szeroki wybór laminatów do prawie wszystkich
rodzajów zastosowa. Laminaty te s oparte na tworzywie teonowym (PTFE),
wzmocnionym wóknem szklanym lub tworzywem ceramicznym.
Najbardziej popularnym laminatem z tej grupy jest laminat typu Duroid
i Epsilam.
W tablicy 5.1 podano wybrane parametry charakteryzujce waciwoci kilku
wybranych laminatów stosowanych do produkcji obwodów drukowanych.
Laminaty stosowane na pytki obwodów drukowanych s laminowane foli metalow wykonan z miedzi elektrolitycznej o duej czystoci i maksymalnie szczelnej powierzchni. Grubo folii zawiera si w przedziale 17÷70 μm. Dostpne s
równie laminaty z warstw przewodzc i rezystywn, które stwarzaj moliwo
wykonywania nie tylko cieek przewodzcych, ale równie rezystorów. Laminaty
z warstw rezystywn produkuje rma Micaplay oraz rma Bakielity Xylonite Limited w dwóch odmianach rónicych si wartociami rezystancji powierzchniowej.
100
Tablica 5.1. Wybrane waciwoci laminatów stosowanych na obwody drukowane
Rodzaj
laminatu
Maksymalna
temperatura
pracy
[°C]
WspóPrzeniWspóAbsorpcja czynnik
kalno
czynnik
rozszeelekwody po
strat przy
rzalnoci
tryczna
24 h
1 kHz
cieplnej
wzgldna
[%]
tgİ
·10–6 1/K
ır
Zastosowanie
Fenolowo-papierowy
120
4,8
0,04
0,65÷1
25
sprzt powszechnego
uytku
Szklano-epoksydowy
130÷155
5,4
0,035
0,15
16
sprzt
powszechnego
uytku
o zwikszonych
wymaganiach
Szklano-poliestrowy
130
4,3
0,015
0,18
—
elektronika
przemysowa,
sprzt komputerowy, aparatura pomiarowa
Kompozytowy
150
—
—
0,12
20
technika
mikrofalowa
Aramidowo-epoksydowy
125
4,0
—
0,85
4,0
technika
mikrofalowa
Szklano-teonowy (Duroid)
200
2,6
0,001
0,1÷1,0
16,5
technika
mikrofalowa
Teonowo-ceramiczny
(Epsilam)
280
10,2
0,002
0,5÷2,0
25
technika
mikrofalowa
5.3. Technologie stosowane do wytwarzania
obwodów drukowanych
W procesie realizacji obwodów drukowanych mona wyróni dwie podstawowe
technologie:
• technologi substraktywn,
• technologi addytywn.
Technologia substraktywna, która dominuje w procesach wytwarzania obwodów drukowanych, jest oparta na selektywnym wytrawianiu tych obszarów
miedzi, które s zbdne, nie stanowi bowiem pocze oraz pól lutowniczych.
Natomiast cieki poczeniowe oraz pola lutownicze s zabezpieczone przed
trawieniem przez mask naoon na laminat foliowany miedzi, utworzon bd
www.wsip.pl
101
z emulsji wiatoczuej, bd
z fotopolimeru staego. W pocztkowym okresie
wytwarzania obwodów drukowanych powszechnie stosowano metod sitodruku
polegajc na tym, e na laminat foliowany miedzi bya nakadana farba maskujca. Wykorzystywano do tego celu proces sitodruku, czyli nanoszenia farby
przez odpowiednio przygotowane sito wykonane ze stali nierdzewnej lub poliestrowe (rys. 5.4). Ta metoda maskowania jest nadal stosowana przy wytwarzaniu
obwodów drukowanych jednostronnych.
Rys. 5.4. Schemat nakadania warstwy maskujcej za pomoc sitodruku
Sita maskowane s albo emulsj wiatoczu w postaci pynnej, któr wylewa
si na powierzchni sita, albo emulsj sta przyklejon do powierzchni sita po
jej nawietleniu i wywoaniu.
Do wytworzenia warstwy maskujcej na powierzchni laminatu mona równie wykorzysta metod druku offsetowego, stosowan w poligrai przy przenoszeniu rysunku z matrycy na podoe za pomoc gumowego waka poredniego (rys. 5.5).
Rys. 5.5. Zasada druku offsetowego
W metodzie tej matryca najpierw jest pokrywana farb, a nastpnie gumowy
waek zbiera farb z tej matrycy i przenosi jej wzór na powierzchni laminatu. Ta
metoda maskowania moe by stosowana w produkcji wielkoseryjnej, ze wzgldu na duy koszt urzdzenia oraz matrycy.
Obecnie najczciej stosowan metod do maskowania powierzchni laminatu
przed procesem trawienia jest metoda fotochemigraczna wykorzystujca fotopolimery stae oraz w mniejszym stopniu emulsje wiatoczue cieke. Metoda ta
pozwala bowiem na bardzo dobre odwzorowanie wzoru obwodu drukowanego
oraz uzyskanie bardzo wskich cieek.
Uproszczony schemat wytwarzania obwodu drukowanego przy wykorzystaniu technologii substraktywnej pokazano na rysunku 5.6.
102
Rys. 5.6. Schemat wytwarzania jednowarstwowego obwodu drukowanego: a) przygotowanie pytek
podoowych, b) naoenie maski, c) wytrawienie, d) usunicie warstwy maskujcej
Drug z wymienionych technologii wytwarzania obwodów drukowanych jest
tzw. technologia addytywna, oparta na selektywnym nanoszeniu miedzi na powierzchni laminatu uprzednio odpowiednio zamaskowanego. Technologia ta
ma szereg zalet, z których najwaniejsz jest wyeliminowanie procesu trawienia,
umoliwia to bowiem wykonywanie bardzo wskich cieek o szerokociach nawet poniej 50 μm.
Jednak z technologi t s zwizane pewne trudnoci dotyczce zarówno materiau podoa, jak i samego procesu. Do wytworzenia na powierzchni laminatu
metalizacji chemicznej miedzi, laminat musi by przed tym aktywowany przez
dodanie do niego mikroskopijnych czsteczek palladu. Dlatego te udzia tej
technologii w wiatowej produkcji obwodów drukowanych jest niewielki i nie
przekracza kilku procent.
5.4. Operacje procesu wytwarzania
obwodów drukowanych
Proces wytwarzania obwodów drukowanych, szczególnie obwodów wielowarstwowych zawierajcych zazwyczaj od 4 do 8 warstw oraz mikropoczenia midzy warstwami, jest procesem skomplikowanym i obejmuje szereg operacji technologicznych. Najwaniejsze z nich to:
• przygotowanie pytek podoowych,
• wiercenie i metalizacja otworów (obwody dwuwarstwowe),
• maskowanie powierzchni laminatu przed wytrawieniem,
• wytrawienie mozaiki pocze,
• usunicie warstwy maskujcej,
• naoenie maski przeciwlutowej,
• wytworzenie pokrycia ochronnego,
• opis pytki drukowanej,
• kocowa obróbka mechaniczna.
Powysza kolejno operacji dotyczy procesu wytwarzania pytek dwuwarstwowych. Przy pytkach wielowarstwowych kolejno operacji jest troch inna,
poniewa dochodz dodatkowe operacje:
• przygotowanie pytek podoowych,
• naoenie warstwy maskujcej i wykonanie mozaiki pocze na obu powierzchniach pytki,
www.wsip.pl
103
•
•
•
•
•
•
•
•
wykonanie wewntrznych pocze midzy warstwami,
przygotowanie pytek do prasowania,
czenie poszczególnych warstw za pomoc prasowania,
wiercenie otworów,
metalizacja otworów,
naoenie maski przeciwlutowej,
naoenie pokrycia ochronnego,
opis pytki.
Przygotowanie pytek podoowych obejmuje cicie laminatu na pytki o danych wymiarach oraz przygotowanie powierzchni pytek do dalszych operacji
procesu, które polega na odtuszczeniu powierzchni i usuniciu z niej tlenków,
co przeprowadza si metodami chemicznymi. Aby poprawi przyczepno nakadanych warstw maskujcych, stosuje si równie tzw. szczotkowanie polegajce na przepuszczaniu pytek midzy obracajcymi si szczotkami.
5.4.1. Wykonanie pocze midzy warstwami
W dwuwarstwowych obwodach drukowanych poczenia midzy warstwami
wykonuje si za pomoc metalizowanych otworów przelotowych, które su
jednoczenie do montau wyprowadze podzespoów elektronicznych. Otwory
w laminacie, rozmieszczone w siatce moduowej, s wykonywane przez precyzyjne wiercenie na wiertarkach sterowanych numerycznie, wyposaonych w szybkoobrotowe gowice o szybkoci obrotowej do 200 tys. obrotów/min.
Po usuniciu z powierzchni otworów produktów termicznego rozkadu ywic
przeprowadza si aktywacj chemiczn powierzchni folii miedzianej oraz wewntrznych powierzchni otworów. Nastpnie wykonuje si metalizacj chemiczn
powierzchni pytki i wewntrznych powierzchni otworów w pytce warstw miedzi
o gruboci 2 μm, która stanowi przewodzcy podkad do dalszego ewentualnego
elektrolitycznego pogrubienia warstwy miedzi do ok. 15 μm (rys. 5.7a).
Metalizacja chemiczna jest procesem bezprdowym, w którym reduktor redukuje sole metali do postaci wolnego metalu osadzajcego si w postaci warstwy na przygotowanym podou. Mona równie przeprowadzi selektywn me-
Rys. 5.7. Schemat metalizacji otworów w dwuwarstwowych obwodach drukowanych: a) metalizacja
kompleksowa, b) metalizacja selektywna; (Cuch – mied
nakadana bezprdowo, Cuel – mied
nakadana elektrochemicznie)
104
talizacj elektrolityczn otworów, która polega na zamaskowaniu powierzchni
laminatu i naniesieniu powoki miedzianej na cianki otworów (rys. 5.7b).
Po przeprowadzeniu metalizacji otworów oraz po kolejnych operacjach procesu nanosi si warstw ochronn (na obszary powierzchni otworów i pola montaowe stanowice punkty lutownicze), gwarantujc dobr lutowno po duszym czasie magazynowania pytek. Jako warstw ochronn stosuje si pokrycia
z cyny, stopu Sn-Pb, pokrycia Ni–Au, Ag oraz pokrycia organiczne (tzw. OSP).
Pokrycia niklowo-zote, które nanosi si bezprdowo, stosuje si w precyzyjnych
pytkach drukowanych wymagajcych duej planarnoci powierzchni.
Wzgldy techniczne i ochrony rodowiska powoduj, e coraz wikszy nacisk kadzie si na poszukiwania pokry ochronnych alternatywnych w stosunku
do warstw Sn-Pb. Warstwami alternatywnymi s powoki organiczne utworzone
z takich zwizków, jak imidazol, benzotriazol lub ich pochodne.
Opisane technologie stosuje si te w wielowarstwowych obwodach drukowanych zoonych zazwyczaj z czterech do omiu warstw oraz mikropocze
midzywarstwowych, które wykonane s w postaci nieprzelotowych tzw. mikrootworów zapewniajcych bardzo du gsto pocze (rys. 5.3).
Rozwój przenonej elektroniki uytkowej, obejmujcej telefony komórkowe,
przenone komputery czy kamery cyfrowe, powoduje cigy wzrost zapotrzebowania na takie obwody. Proces technologiczny obwodów wielowarstwowych
przebiega w trzech etapach: wykonanie zewntrznych i wewntrznych obwodów
pytki, wiercenie otworów i ich metalizacja, klejenie warstw.
Mikrootwory, stanowice poczenia midzy warstwami, zgodnie z denicj
obejmuj otwory o rednicy nieprzekraczajcej 150 μm; w przeciwiestwie do
obwodów dwustronnych s nieprzelotowe i nie s wykorzystywane do montau
podzespoów. Takie mikrootwory wykonuje si metodami fotochemicznymi oraz
za pomoc obróbki laserowej. W metodzie fotochemicznej s wykorzystywane
fotoczue dielektryki na warstwy wewntrzne pytki drukowanej, w których po
nawietleniu przez mask wytrawia si otwory. Przy obróbce laserowej wykorzystywane s lasery UV oparte na granacie itrowo-aluminiowym (YAG) lub lasery
CO2. Pierwszy z laserów moe dry otwory zarówno w folii miedzianej, jak
i w warstwie dielektrycznej, natomiast lasery CO2 s uywane tylko do wiercenia
dielektryków. Wykonane otwory s nastpnie poddawane metalizacji.
5.4.2. Wytwarzanie maski na powierzchni laminatu
W produkcji obwodów drukowanych powszechnie stosowan metod do maskowania powierzchni folii miedzianej przed trawieniem jest metoda fotochemigra
czna, w której do maskowania wykorzystuje si warstwy fotoczue. Metoda ta
pozwala na uzyskiwanie bardzo precyzyjnych wzorów obwodów drukowanych
z du dokadnoci ich odwzorowania.
Do maskowania powierzchni folii miedzianej stosowane s gównie fotopolimery stae. Emulsje cieke, stosowane rzadziej, nakada si na powierzchni
laminatu przez odwirowanie na wirówkach, zanurzanie pytki w emulsji i jej powolne wyciganie albo przez natryskiwanie.
www.wsip.pl
105