Lucrarea nr. 4 TEHNOLOGIA CABLAJELOR...

Lucrarea nr. 4

TEHNOLOGIA CABLAJELOR IMPRIMATE

4.1 SCOPUL LUCRĂRII

Lucrarea îşi propune cunoaşterea:- tipurilor şi a caracteristicilor constructive ale cablajelor imprimate- materialelor utilizate pentru cablaje imprimate;- tehnologiei realizării cablajelor imprimate- etapelor de realizare a circuitelor electronice pe cablaj imprimat (tehnologia montării).

4.2. INDICAŢII TEORETICE

Prin cablaj imprimat (PCB - Printed Mounted Board) se înţelege circuitul electric în careconductoarele de legătură sunt realizate sub formă de benzi sau suprafeţe conductoare demetal pe un suport izolant.După numărul de straturi metalice (conductoare) depuse cablajele imprimate se împart în:cablaje simplu placat, dublu placat şi multistrat.

Cablajele simplu strat (placat) îşi menţin ponderea datorită preţului de cost scăzut înaparatura electronică de larg consum unde gradul de compactizare prezintă rolul secundar.

Cablajele dublu strat (dublu placat) au ponderea cea mai mare în producţia de cablajeimprimate deoarece realizează o bună densitate a componentelor, iar preţul de cost este relativscăzut.

Cablajele multistrat sunt destinate montajului şi asamblării circuitelor integratecomplexe pentru care în două straturi traseele necesare conexiunilor nu se pot realiza raţional.

Grosimea cablajului imprimat se alege în funcţie de condiţiile mecanice de rigiditatecare se cer plăcii şi de numărul de straturi ales.4.2.1. Materiale utilizate pentru cablaje imprimateLa realizarea cablajului imprimat se foloseşte un material izolant (uzual, pertinax şisteclotextolit) care este placat cu cupru. Semifabricatele placate se livrează sub formă de plăcicu dimensiuni până la 2000 x 2000 mm. Grosimea cablajului imprimat este reglementată prinnorme (tabelul 1).

Tabelul 1 Grosimi uzuale ale circuitului imprimatGrosimea [mm] Toleranţa [mm]

0,15-0,30 ±0,050,30-0,80 ±0,075

Cablajflexibil

0,8- ±0,11,2 ±0,2

1,6 (1,5) ±0,22,0 ±0,22,4 ±0,3

Cablajrigid

3(3,2) ±0,3

Tehnologia cablajelor imprimateProf. dr. ing. Ioan D. Oltean

2

Suportul izolant placat cu cupru trebuie să îndeplinească o serie de condiţii mecanice, electriceşi termice.Materialul de placare este cupru electrolitic de înaltă puritate (99,5%) cu grosimea de:17,5µm, 35µm, 50µm, 70µm, şi 105µm. În anumite situaţii, conductoarele de cupru se acoperăcu pelicule metalice de protecţie din cositor, argint, aur, paladiu.

4.2.2 Tehnologia realizării cablajelor imprimateTehnologiile de realizare a cablajelor imprimate pot fi grupate în două categorii:

- tehnologii substractive (metode de corodare) prin care traseele conductoare rezultădupă corodarea parţială a foliei conductoare depuse deja pe suportul izolant;

- tehnologii aditive (metode de depunere) prin care traseele conductoare rezultă prindepunerea cuprului electrolitic pe suportul izolant: galvanic sau prin pulverizareaprin mască.

Deşi în realizarea cablajelor imprimate predomină metodele de corodare există tendinţa deextindere a metodelor de depunere care sunt mai avantajoase din punct de vedere alconsumului de metal.Metodele de corodare au la bază procedee chimice care constau din:

- realizarea desenului de cablaj la scară mărită (2÷10 ori);- realizarea filmului fotografic în mărime naturală pentru partea placată (traseele de

cupru);- realizarea filmului fotografic în mărime naturală pentru partea plantată (dispunerea

componentelor);- imprimarea imaginii de pe filmul fotografic pe folia de cupru (partea placată);- imprimarea imaginii de pe filmul fotografic pe partea pe care se plantează

componentele (partea plantată).Reguli de realizare a cablajelor imprimate

- Se recomandă ca plăcile să fie pătrate sau dreptunghiulare având raportul dintrelaturi: 1/1, 1/2, 2/3, 2/5;

- Dimensiunile maxime nu trebuie să depăşească 240 x 360 mm pentru cablajulsimplu şi dublu placat şi 200 x 240 mm pentru cablajul multistrat;

- Pasul reţelei de corodare este de 1/10”=2,54mm;- Diametrele găurilor se aleg cu 0,2÷0,3 mm mai mari decât cele ale terminalelor

componentelor (uzual: 0,8mm pentru găuri nemetalizate şi 1,1 mm pentru găurilemetalizate);

- Centrele găurilor corespund, de obicei, pasului sau multiplului pasului reţelei;- Distanţele minime dintre traseele conductoare se stabileşte în funcţie de tensiunea

de lucru (diferenţa de potenţial dintre acestea - tabelul 2) şi de clasa de precizie (3clase de precizie, clasa I este cea mai precisă).

Tabelul 2 Distanţa dintre conductoare în funcţie de tensiunile de lucruU[V] 50 75 125 150 175 200 250 300 400 500S[mm] 0,3 0,5 0,6 0,7 0,8 1 1,25 1,5 2,5 3

Metoda corodăriiTehnologia de realizare a cablajelor prin metoda corodării constă în următoarele etape:a) Realizarea originalului


3

Pentru transpunerea circuitului pe cablaj imprimat sunt necesare filme fotografice, numitemăşti, care se obţin după desenele originale. Desenul original se poate realiza manual sau pebaza unui program de realizare a layoutului circuitului (de ex. ORCAD).b) Realizarea filmului fotograficIndiferent de metoda de fabricare a cablajului (fotolitografică sau serigrafică) este necesarăobţinerea filmului fotografic, negativul originalului cablajului imprimat.c) Transpunerea imaginii pe suportul placatAceastă operaţie are drept scop formarea pe suprafaţa placatului a zonelor opace care urmeazăsă formeze conductoarele imprimate după corodarea selectivă. Pentru imprimare se foloseştemetoda fotografică şi metoda serigrafică.

Imprimarea prin metoda fotografică constă în transpunerea imaginii de pe film peplacat cu ajutorul fotorezistului care a fost depus uniform pe aceasta. Fotorezistul este osoluţie de alcool polivinilic sensibilizat cu bicromat de potasiu care se depune princentrifugare. După expunerea la o sursă de ultraviolet prin clişeul negativ al cablajului şidevelopare într-o soluţie specifică, stratul fotosensibil expus se dizolvă rămânând în finaldesenul original transpus pe placat. La realizarea circuitelor imprimate dublu placate sefolosesc două filme (clişee), câte unul pentru fiecare faţă a placatului.Metoda fotografică asigură o bună precizie în realizarea cablajelor imprimate, dar necesită unciclu de producţie lung şi cu productivitate redusă. Din această cauză se foloseşte numai launicate şi la serii mici de fabricaţie.

Imprimarea prin metoda serigrafică foloseşte pentru realizarea măştii pe cablajulimprimat o pastă specială numită cerneală serigrafică. Cerneala serigrafică este greu sicativăfiind rezistentă la acţiunea de corodare a unor substanţe chimice. Depunerea pe suprafaţaplacatului se face prin intermediul unui ecran numit sită serigrafică.Sita serigrafică este o ţesătură din material sintetic (fibre poliamidice sau poliesterice) cuochiuri foarte mici (100-200 fire/cm) sau fire din oţel aliat de 30-50µm cu 60-120 fire/cm.Sitele se fixează cât mai întins pe un cadru din lemn. Pentru imprimare se folosesc soluţiifotosensibile similare cu cele utilizate la metoda fotolitografică. După uscarea sitei pe care s-adepus soluţia fotosensibilă, aceasta se expune la lumină prin intermediul clişeului de cablaj.

Imprimarea prin metoda offset se foloseşte pentru producţia de serie mare şi foartemare. Constă în transpunerea desenului pe cablaj printr-un procedeu asemănător cu cel folositla tipărire. Se foloseşte un clişeu offset (zincografic) format dintr-o placă metalică pe care esteexecutat în relief imaginea cablajului.d) Corodarea se face pentru îndepărtarea cuprului din zonele neacoperite de fotorezist sau decerneala serigrafică. Pentru corodare se foloseşte clorura ferică sau clorura cuprică. Viteza decorodare depinde de concentraţia soluţiei şi de temperatura băii. Pentru neutralizarea urmelorde clorură ferică, cablajele corodate sunt trecute printr-o serie de băi bazice şi apoi spălate înapă rece curgătoare. Îndepărtarea cernelii de protecţie se face în tricloretilenă sau în băialcaline.e) Metalizarea găurilor are rolul de interconectare a traseelor conductoare dispuse pe feţediferite ale cablajului imprimat. Metalizarea se realizează prin depunerea pe cale electroliticăa cuprului (10 –25 µm) urmată de stanarea acestor găuri (acoperirea cu un strat de 10 µm dePbSn).f) Imprimarea poziţiei componentelor pe cablaj este o operaţie care are rolul de a uşuraplantarea (în varianta manuală) şi a indentificarea pieselor plantate în faza de testare saudepanare. Imprimarea se face prin clişeul de poziţionare care se transpune tot prin metodafotolitografică pe faţa plantată după corodare şi metalizarea gurilor.


4

Metoda depuneriiMetodele depunerii cuprului (tehnologiile aditive) folosesc un suport izolant neplacat pe careurmează a se realiza în forma definitivă conductoarele imprimate. Metoda depunerii areavantajul, pe lângă consumul mai redus de cupru, acela de realizare simultană aconductoarelor şi metalizarea găurilor.Cuprarea galvanică constă în depunerea prin electroliză a unui strat de cupru, conform cunegativul filmului, peste o peliculă intermediară de cupru cu grosime mică (1-6µm). Procedeuldepunerii galvanice prezintă o serie de avantaje: productivitate mare, preţ de cost apropiat demetodele de corodare.

4.2.3 Tehnologia echipării cablajelor imprimate

Se disting două moduri de echipare a plăcilor imprimate: plantarea componentelor electroniceîn găurile prevăzute pe cablaj (fig. 1.a) şi aşezarea componentelor electronice pe contacte delipire (fig. 1.b).

Echiparea constă în: plasarea componentelor în poziţiile corespunzătoare în găurile cablajuluiîn cadrul tehnologiei THT=Trough Hole Technology sau pe suprafaţa cablajului imprimat încadrul tehnologiei SMT=Surface Mount Technology. Echiparea se poate face manual lacircuitele de serie mică sau unicate şi mecanizat sau automatizat pentru circuitele imprimatede serie mare şi foarte mare.

Montarea componentelor cu terminale (THT=Trough Hole Technology)Pe cablajul imprimat componentele se fixează în terminale şi de aceea vibraţiile sau

şocurile mecanice se transmit terminalelor şi lipiturilorTerminalele se fixează prin îndoire înunghi drept.

La circuitele simplu placate componentele se fixează foarte aproape de suprafaţaplăcilor, iar pe cablajul cu dublă faţă la oarecare distanţă de placa imprimată. Componenteleavând gabarit mai mare se fixează cu scoabe sau prin şuruburi cât mai aproape de cablajulimprimat. Conectarea cu elemente din afara cablajului imprimat se realizează în două moduri:cu conexiuni nedemontabile (prin lipire) şi cu conexiuni montabile (cu conectoare).

La echiparea manuală plasarea componentelor se face după ce acestea au fost pregătiteprin aducerea terminalelor în forma cea mai avantajoasă pentru echipare şi contactare.Terminalele vor fi perpendiculare pe faţa cablajului imprimat (unghi de 900). Pentru formareaşi tăierea terminalelor la producţia de serie se folosesc utilaje specializate care pot prelucra atâtcomponentele care se prezintă sub forma unor benzi, cât şi componentele individuale.

Contactarea componentelor implantabile (componente discrete sau integrate) pecablajul imprimat se realizează prin lipire pe partea placată, parte care va forma şi faţa delipire. La producţia de serie sau de masă se utilizează procedeele de lipire generală. Acestea

a) b)

Fig. 1 Moduri de montare a componentelor pe cablajul imprimata) montarea componentelor cu terminale pentru inserţie (THT)b) montarea componentelor pe suprafaţă (SMT)


5

sunt procedee de imersie în care faţa de lipire se deplasează la o singură trecere prin baia decositor = lipirea în val. Prin această trecere se va depune aliajul de lipit pe porţiunile metaliceşi se obţine contactul electric (contactarea) componentelor de cablajul imprimat.

Lipirea selectivă se utilizează uneori în scopul evitării de punţi conductoare pe traseelealăturate şi al economiei de aliaj de lipit. Procesul selectiv se realizează prin intermediul unormăşti de lipire prin depunerea unui lac de protecţie împotriva lipirii. Masca de lipire nuacoperă porţiunea de cablaj unde urmează să fie realizată lipirea. Pentru evitarea oxidăriicontactelor şi terminalelor înaintea şi în timpul lipirii, în baie se introduce un flux dezoxidant(de exemplu colofoniu dizolvat în alcool).

Tehnologia SMTTehnologia montării pe suprafaţă (SMT- Surface Mount Technology) s-a impus în ultimii anica principală metodă de fabricaţie a modulelor electronice. Prin această tehnologie s-aurealizat module electronice mai performante, mai fiabile şi cu un gabarit mai redus faţă detehnologia anterioară, care utiliza componente cu terminale de inserţie. O caracteristicădefinitorie pentru SMT este montarea componentelor electronice fără a pătrunde prin găurilemetalizate ca în tehnologia THT. În acest caz, zona lipiturii asigură pe lângă contactul electricşi robusteţea mecanică a asamblării, având un rol decisiv în fiabilitatea produsului electronic.Se întâlnesc trei mari categorii de module SMT (tipul 1, 2 şi 3) în funcţie de tipul decomponente şi modul de lipire. Tipul 1 conţine numai componente montate pe suprafaţă dincare cele active sunt montate pe partea superioară, iar faţa inferioară poate conţinecomponente discrete (componente cip). Succesiunea operaţiilor pentru montarea unui circuitSMT tipul 1 (numai cu componente SMD - Surface Mounted Devices) este următoarea:

- aplicarea pastei de lipit (pe bază de Sn_Pb) pe faţa 1;- plasarea componentelor;- uscare placă - tratament termic pentru eliminarea substanţelor volatile din pasta de

lipire;- lipire prin metoda reflow (incălzirea cu radiaţii infraroşii);

La circuitele dublă faţă operaţiile indicate anterior se repetă:- inversarea plăcii şi repetarea operaţiilor pentru faţa 2 a cablajului;- curăţirea şi testarea.

Tipul 3 de modul SMT conţine atât componente montate pe suprafaţă, cât şi componente cuterminale. În acest caz în operaţiile pentru montare se foloseşte în plus lipirea în val pentrucomponentele cu terminale.

4.3. DESFĂŞURAREA LUCRĂRII

4.3.1 Studiul plăcii de cablaj imprimat CABP 6716734Placa de cablaj imprimat dublu placat cu codul CABP 6716734 a fost proiectată pentrurealizarea unui modul electronic de prelucrare a semnalelor (amplificare, conversie).a) Se studiază tehnologia de realizare a cablajului imprimat (cod CB…) şi se indicăsuccesiunea operaţiilor tehnologice, modul în care acestea se realizează (procesul tehnologic)şi utilajele sau dispozitivele utilizate la fiecare dintre aceste operaţii.Se va completa pe o pagină separată un tabel conform modelului prezentat (tabelul 1).

Tabelul 1


6

Nr.operaţie

Denumireaoperaţiei

Proces tehnologic Utilaje şidispozitive

Semifabricat sauprodus obţinut

CB 1Debitareacablajului

Din plăci de 2000 x 2000mm dublu placat (g=…..,g'=…) se debitează

Gilotină Numărulde…………plăci

(L x l x g),CB 2 Debavurare şi

verificareadimensiunilor

………(se descrie pe scurtîn ce constă operaţia)

……… ………

… ……… ……… ……… ………CB n

În tabelul 1 se vor indica principalele operaţii care s-au parcurs pe fluxul tehnologic derealizare a cablajului imprimat prezentat în laborator.b) Se împarte în sectoare cablajul (fig.3) şi se indică codurile dispozitivelor semiconductoare(Circuite integrate (C.I), tranzistoare, diode) situate în aceste sectoare (tabelul 2).

Tabelul 2 Dispunerea dispozitivelor semiconductoareSector C.I. Tranzistoare Diode Total Observaţii

A2

B1

B2

În rubrica "Total"se va centraliza numărul de componente electronice din fiecarecategorie, iar la "Observaţii" se menţionează ce componente se mai găsesc în sectorulrespectiv.c) Se observă vizual şi apoi se verifică continuitatea unor trasee conductoare care nu suntsituate pe aceiaşi faţă a plăcii, dar care sunt conectate prin găuri metalizate. Se va indica careeste numărul de treceri dintre o faţă şi cealaltă a cablajului, aşa cum se indică în exemplul datîn tabelul 3.

Tabelul 3

2

1

A BFig. 3 Modul de împărţire în sectoare al cablajului


7

Nr. Poziţia plecare (codcomponentă) -nr. pin

Poziţia sosire (codcomponentă) -nr. pin

Nr. treceri(poziţie)

Observaţii

FU1→C68 (+); FU2→XM82 1 (C68) Traseuneramificat

d) La cablajul cu codul D901 se determină numărul zonelor metalizate (număr par) pe careurmează să se contacteze componente dipolare SMD (cu 2 terminale) şi a metalizărilor pentrucontactare de circuite integrate de pe fiecare parte a cablajului.

4.3.2. Studiul tehnologiei de montare a componentelor

a) Montarea componentelor cu terminaleSe va urmării vizual modul de montare şi se vor identifica componentele pe module realizateprin tehnologia de montare a componentelor cu terminale (THT).Modulul de alimentare pentru televizor color (varianta Grundig), la care se va urmări schemaelectrică, conţine circuite de redresare, filtrare, stabilizare şi semnalizare:- Redresor pentru tensiunea reţelei cu semnalizarea prezenţei tensiunii: punte redresoare

D901; R906, D906;- Redresor monoalternanţă (D910 D911), filtru (C911, C914);- stabilizator de tensiune (IC 912);- semnalizarea prezenţei tensiunii: R913, D913.- Redresor bialternanţă, filtru, stabilizator de tensiune, semnalizarea prezenţei tensiunii.- Stabilizator de 12 V.Se identifică poziţionarea componentelor pentru cel puţin două dintre circuitele prezentate şise prezintă grafic dispunerea lor pe partea plantată.b) Montarea pe suprafaţă cu componente SMDSe va urmării vizual modul de montare a componentelor prin tehnologia SMT pentru unmodul de comandă al unui hard disk. Se va stabili tipul de montaj care s-a folosit (tip 1, 2 sau3) şi categoriile de componente electronice care sunt montate pe cele două feţe ale circuitului.

4.4. MODUL DE LUCRU

a) Se urmăreşte vizual modul de realizare al cablajului imprimat cu codul CABP 6716734. Seidentifică tipul cablajului – material (simplu sau dublu placat, cu sau fără găuri metalizate). Cuşubler sau cu o riglă gradată se măsoară dimensiunile cablajului (L x l). Cu micrometru semăsoară grosimea cablajului fără stratul de cupru (g'-grosimea sticlotextolitului) şi apoigrosimea cablajului g împreună cu foliile de cupru. Măsurarea se va face în partea inferioară asectorului A1, aşezând micrometrul în zona traseelor conductoare (de exemplu lângă poziţiax3). În funcţie de suprafaţa plăcii se determină numărul maxim posibil de plăcuţe (L x l x g)care se pot obţine prin debitarea lor din placa de cablaj cu dimensiunea de 2000 x 1500 mmsau 2000 x 1500 mm (se completează punctul CB1 din tabelul 1). Se va desena la scară placade circuit imprimat (2000 x 1500 mm sau 2000 x 1500 mm) şi se indică direcţia după care seîncepe debitarea pentru a avea pierderi minime.

a) Se împarte în 4 sectoare placa de circuit imprimat şi se notează în tabelul 2 coduriledispozitivelor semiconductoare care se găsesc în zonele respective.

Componentele electronice din schema electrică a modulului sunt codificate după cumurmează:


8

- circuite integrate analogice (NA, NC, NR);- circuite integrate digitale (DI);- tranzistoare (VT);- diode (VD, VZ, DT);- rezistoare diferite (R1…R99); condensatoare diferite ©; bobine (L);- transformator (TV, T); siguranţe fuzibile (FU); conectori diferiţi (XM); puncte de

test (XE).c) Se verifică cu ohmetru continuitatea unor trasee conductoare care nu sunt situate pe aceiaşifaţă, dar care sunt conectate prin găuri metalizate. Se va nota codul componentei (parteaplantată) de la care începe traseul şi cel al componentei la care ajunge prin găurile metalizate.Se completează pentru minim 3 traseed) La cablajul cu codul D901 se determină prin numărare de sus în jos, pentru fiecare faţă,zonele metalizate de formă dreptunghiulară (fără gaură) pe care urmează să se contactezecomponente dipolare SMD (cu 2 terminale). Se identifică metalizările pentru contactare decircuite integrate de pe fiecare parte a cablajului. Se va indica:

- numărul de componente dipolare SMD pe faţa A şi pe faţa B;- numărul de circuite integrate SMD pe faţa A şi pe faţa B şi numărul pini ai

acestora.

4.5 ÎNTREBĂRI

1. Care este diferenţa dintre un cablaj rigid şi unul flexibil şi ce aplicaţii specifice au acestea?2. Cum se recunoaşte un cablaj imprimat cu sticlotextolit de unul de pertinax ?3. Care materiale se folosesc pentru acoperirea foliei de cupru şi care este scopul acestei

acoperiri ?4. Care sunt dimensiunile uzuale ale găurilor pentru terminale?5. La ce distanţă minimă se prevăd traseele conductoare ale circuitului imprimat între care

diferenţa de potenţial este de 200V?6. Ce măşti se folosesc pentru prelucrarea cablajul dublu strat?7. Cum se realizează lipirea selectivă a componentelor?8. Care este diferenţa între tehnologia THT şi SMT?9. Cum se realizează lipirea componentelor cu terminale?10. Cum se realizează lipirea componentelor SMD ?

Lucrarea nr. 4 TEHNOLOGIA CABLAJELOR...

Documents

Transcript of Lucrarea nr. 4 TEHNOLOGIA CABLAJELOR...