Производство печатных плат: полный процесс от “А” до “Я” (Часть 1)

Жизнь современного человека невозможно представить без электроники. Каждый день в мире используются миллионы устройств, которые облегчают нашу жизнь: от миниатюрной носимой электроники до массивных суперкомпьютеров, занимающихся вычислением ответов на фундаментальные научные вопросы. Одной из ключевых основ большинства таких устройств, электрически и механически объединяющей их элементы, являются печатные платы, или PCB — от английского printed circuit board. На первый взгляд плата может казаться простой диэлектрической пластиной с дорожками, однако её производство представляет собой сложный технологический процесс, включающий подготовку материалов, формирование проводящего рисунка, сверление, металлизацию отверстий, нанесение защитных покрытий, маркировку, подготовку к монтажу компонентов и обязательный контроль качества. Кроме того, непосредственно процессу изготовления предшествует объёмный этап разработки проекта, схематических и технологических решений. От точности каждого этапа зависят целостность проводников, качество межслойных соединений, паяемость контактных площадок, устойчивость платы к нагрузкам и долговечность изделия, а иногда и сама пригодность PCB к монтажу компонентов и дальнейшей эксплуатации. Поэтому качество PCB напрямую влияет на надёжность устройства и его безопасность.

Чтобы понять, что такое производство PCB и почему оно требует высокой точности на каждом своём этапе, необходимо сначала разобраться, что представляет собой печатная плата и какую функцию она выполняет в электронном устройстве. В общем случае – это диэлектрическая подложка с размещёнными на ней медными проводниками. Для получения рисунка токопроводящих дорожек может быть использовано несколько методов, но вначале, в качестве примера и самого распространённого возьмём метод трафаретной печати. Собственно, именно благодаря ему мы и имеем название – печатные платы – рисунок печатается специальными составами, устойчивыми к растворам, которыми стравливаются излишки меди. И в этом заключается одна из главных особенностей изготовления PCB, которая в своё время совершила революцию. Достаточно изготовить трафарет с топологией печатной платы, чтобы затем, с высокой степенью повторяемости и автоматизации, переносить его рисунок на заготовки печатных плат, т.е. печатать его. Однако здесь же кроется и потенциальная проблема. Если ещё на этапе разработки будет допущена ошибка, то она же будет воспроизведена на множестве печатных плат. Помимо соединительной функции, а также технологичности и масштабируемости производства, платы выполняют ещё и конструкционную роль. Электронные компоненты, будь то поверхностный или навесной монтаж, крепятся непосредственно на плату, что позволяет как экономить место, так и отказаться, хоть и не всегда, от изготовления дополнительных несущих конструкций.

Наиболее распространёнными материалами для производства печатных плат остаются подложки на основе стеклоткани и эпоксидной смолы. К ним относятся FR4 — марка по международной классификации, а также СФ и СТЭФ, используемые в классификации ГОСТ на постсоветском пространстве. Такие материалы обладают высокой механической прочностью, хорошо освоены в производстве, доступны по стоимости и имеют множество модификаций с улучшенными температурными, диэлектрическими и частотными характеристиками. Благодаря этому они применяются в большинстве массовых электронных изделий.

Однако универсальность таких подложек имеет свои пределы. Несмотря на наличие улучшенных марок, они не всегда подходят для узкоспециализированных задач. Например, в СВЧ-аппаратуре их применение часто ограничено из-за более высоких диэлектрических потерь по сравнению со специальными материалами. Кроме того, из-за невысокой теплопроводности стандартные стеклотекстолитовые материалы не всегда могут использоваться в устройствах, работа которых связана со значительным выделением тепла.

Для радиочастотных и СВЧ-устройств применяются специализированные материалы с улучшенными диэлектрическими и частотными характеристиками. К ним относятся подложки на основе фторопласта, керамиконаполненных полимеров, углеводородных смол, а также комбинированные материалы. На практике для таких задач часто используются СВЧ-ламинаты Rogers, Taconic и аналогичные материалы, рассчитанные на работу в радиочастотном и сверхвысокочастотном диапазоне.

Основными достоинствами таких подложек являются низкие диэлектрические потери, стабильная диэлектрическая проницаемость и возможность более точного расчёта волнового сопротивления проводников. Это позволяет снизить потери сигнала и обеспечить предсказуемую работу устройства на высоких частотах. При этом СВЧ-материалы значительно дороже стандартных стеклотекстолитов, менее универсальны и часто предъявляют повышенные требования к механической обработке, металлизации и контролю качества. Некоторые фторопластовые подложки также отличаются низкой адгезией к меди, мягкостью и склонностью к деформации, что усложняет изготовление многослойных плат.

Если ключевым требованием становится эффективный отвод тепла, применяются материалы на алюминиевом основании. В таких конструкциях проводящий рисунок формируется на тонком диэлектрическом слое, расположенном поверх металлической основы. Алюминий выполняет функцию теплоотвода: тепло от компонентов быстрее передаётся на основание и далее рассеивается через корпус, радиатор или монтажную поверхность. Поэтому такие платы широко используются в светодиодной технике, силовой электронике, источниках питания, автомобильной электронике и других устройствах, работающих при повышенных тепловых нагрузках.

Ограничения материалов на алюминиевом основании в первую очередь связаны с их конструкцией и обработкой. Подавляющее большинство таких проектов выполняется однослойными, поскольку многослойные варианты значительно сложнее технологически и дороже в производстве. Кроме того, такие платы имеют ограниченную совместимость с выводным монтажом и требуют более осторожного подхода к механической обработке. Алюминиевая основа ограничивает минимальные диаметры сверления и размеры фрезерного инструмента, поэтому для разделения плат в заготовке часто предпочтительно использовать скрайбирование. Дополнительным недостатком является склонность к деформации, особенно у длинных и узких изделий, характерных для LED-линеек.

Ещё одна группа материалов — полиимиды. Они применяются там, где от печатной платы требуется работа в условиях изгиба, ограниченного пространства или повышенной температуры. В гибких и гибко-жёстких конструкциях основой обычно служит тонкая полиимидная плёнка, на которую наносится проводящий рисунок. Благодаря гибкости, малой толщине, высокой термостойкости и химической стойкости такие материалы подходят для изготовления гибких плат, шлейфов, датчиков, компактных модулей и электронных узлов сложной формы. Подобные решения востребованы в носимой, медицинской, автомобильной и авиационной электронике, а также в устройствах, где применение обычной жёсткой платы конструктивно затруднено.

Отдельно следует выделить жёсткие полиимидные материалы, которые применяются не ради гибкости, а прежде всего из-за высокой температурной стойкости. Такие подложки используются в изделиях, работающих при повышенных температурах или проходящих жёсткие термические режимы в процессе производства и эксплуатации. При этом полиимид нельзя считать простым в обработке материалом. Из-за малой толщины и гибкости заготовки он требует аккуратного подбора режимов механической обработки, ламинирования и металлизации. Дополнительным ограничением является гигроскопичность: при неправильном хранении полиимид способен поглощать влагу, что может привести к дефектам во время последующих термических операций, включая пайку и прессование. Также при проектировании необходимо учитывать допустимые радиусы изгиба, расположение проводников в подвижных зонах и необходимость локального усиления участков под монтаж компонентов или разъёмов.

Вид	Описание  материала	Достоинства	Недостатки	Наименование
FR4 (Tg130-140°C)	Базовый материал для производства двухсторонних печатных плат. Фольгированный диэлектрик на основе стеклоткани и эпоксидного связующего.	Доступность, невысокая стоимость, хорошая механическая прочность, высокая технологичность, широкое применение в массовой электронике.	Ограниченная термостойкость по сравнению с High Tg-материалами, не лучший выбор для сложных многослойных плат, СВЧ-устройств и изделий с высокими тепловыми нагрузками.	GoldenMax GF21; KingBoard KB6160; Nouya NY1135; Nouya NY1140; Nouya NY2140; Shengyi S1141
FR4 Mid-Tg (Tg150-155°C)	Материал с увеличенным параметром Tg (температура стеклования материала) для двухсторонних и многослойных плат с небольшим количеством слоёв. Улучшенная версия стандартного FR4.	Более высокая температурная стабильность по сравнению со стандартным FR4, лучшая пригодность для более сложных плат, сохранение хорошей технологичности.	Дороже стандартного FR4, при этом всё ещё уступает High Tg и специализированным материалам по термостойкости и стабильности параметров.	NAN YA NP-155F; Nouya NY2150; Shengyi S1000; Shengyi S1000H; Shengyi S1141 150
FR4 High Tg (>170°C)	Стеклотекстолит на основе смесей многофункциональных эпоксидных смол. Применяется для многослойных плат, HDI и изделий с повышенными температурными требованиями.	Повышенная термостойкость, лучшая стабильность параметров при высоких температурах, пригодность для многослойных и плотных конструкций.	Более высокая стоимость, повышенные требования к режимам прессования и производства по сравнению со стандартным FR4.	ITEQ IT-180; KingBoard KB6167F;  NAN YA NP-175FM;  Nouya NY1170; Nouya NY2170; Shengyi S1000-2; Shengyi S1000-2M
FR4 Halogen Free	Стеклотекстолит на основе модифицированных эпоксидных смол. Не содержит галогенов, сурьмы и фосфора, не выделяет опасных веществ при горении.	Более экологичный и безопасный при горении материал, соответствует требованиям к снижению содержания галогенов, сохраняет основные преимущества FR4.	Может быть дороже стандартного FR4, выбор марок и толщин может быть уже, параметры зависят от конкретного производителя.	KingBoard KB6165G; Shengyi S1155
FR4 CTI600	Материал на основе модифицированных эпоксидных смол. Применяется для плат с высокими рабочими напряжениями и эксплуатацией при повышенной влажности.	Повышенная стойкость к токам утечки и поверхностному пробою, пригодность для устройств с высокими напряжениями и влажной средой.	Более специализированное применение, возможна более высокая стоимость и ограничения по доступности конкретных марок.	GoldenMax GF11-T6;  Nouya NY1600; Shengyi S1600; Shengyi S1600L
FR4 High Frequency	Группа высокочастотных модифицированных стеклотекстолитов.	Более доступная альтернатива специализированным СВЧ-материалам, улучшенные частотные характеристики по сравнению со стандартным FR4, хорошая технологичность.	По потерям и стабильности параметров уступает специализированным СВЧ-ламинатам Rogers, Taconic и аналогичным материалам.	Shengyi S7136H; Tuc TU-872 SLK
СВЧ PTFE	Полимеры на основе фторуглеродных соединений, включая PTFE, армированные стеклотканью. Используются для высокочастотных и СВЧ-плат.	Низкие диэлектрические потери, хорошая влагостойкость, высокая электрическая прочность, пригодность для высоких частот и перепадов температур.	Высокая стоимость, сложность обработки, низкая адгезия к меди у ряда материалов, мягкость и склонность к деформации.	Arlon AD10; Arlon AD255A; Arlon AD350A; Arlon AD1000;  Arlon DiClad series;  Rogers RT/duroid 5870;  Rogers RT/duroid 5880;  Taconic TLY Series
СВЧ с керамическим наполнением	Полимерные материалы с мелкодисперсным керамическим наполнителем, армированные стеклотканью.	Стабильные диэлектрические характеристики, низкие потери, возможность точного расчёта волнового сопротивления, хорошая пригодность для СВЧ-устройств.	Более высокая стоимость, повышенные требования к проектированию и обработке, необходимость учитывать совместимость с другими материалами в многослойной структуре.	Arlon 25N/25FR;  Rogers RO3000 series;  Rogers RO4000 series;  Rogers RO4400 prepreg;  Taconic RF-10;  Taconic RF-35; T aconic RF-60A;  Taconic TSM-DS3M
СВЧ на керамической основе	Композитный материал на основе керамики с органическим связующим. Отличается малыми потерями.	Низкие потери, высокая стабильность параметров, пригодность для ответственных СВЧ-узлов и точных радиочастотных схем.	Высокая стоимость, меньшая универсальность, более строгие требования к производству и проектированию.	Rogers TMM series;  Taconic HF-300
PI, полиимид	Плёнки малой толщины из полимеризованного полиимида. Материал для производства гибких и гибко-жёстких плат.	Гибкость, малая толщина, высокая термостойкость, химическая стойкость, пригодность для шлейфов, гибких плат и компактных электронных узлов.	Сложность обработки, чувствительность к малым радиусам изгиба, необходимость локального усиления зон монтажа, гигроскопичность при неправильном хранении.	Panasonic RF770; Panasonic RF775; Shengyi SF302; Shengyi SF305;  ThinFlex Polyimides
Rigid PI	Группа материалов на основе жёстких полиимидов с очень высокой термостойкостью и стабильностью параметров при высоких и экстремальных температурах.	Очень высокая температурная стойкость, стабильность параметров при жёстких термических режимах, пригодность для ответственных изделий.	Высокая стоимость, более сложная обработка, применение оправдано в основном для специализированных задач.	Arlon 33N;  Arlon 85N;  Shengyi SH260
PET	Синтетический линейный термопластичный полимер из класса полиэфиров. Обладает высокой механической прочностью и устойчивостью к многократным деформациям.	Гибкость, прочность, устойчивость к растяжению и изгибу, сравнительно низкая стоимость для простых гибких конструкций.	Более низкая термостойкость по сравнению с полиимидом, ограниченная пригодность для высокотемпературных операций и ответственных гибких плат.	Jiu Jiang LPET
Алюминий	Материалы на металлическом основании, где алюминиевая основа используется для улучшения отвода тепла от компонентов и теплонагруженных участков платы.	Высокая теплопроводность, эффективный теплоотвод, пригодность для LED-техники, силовой электроники, источников питания и аппаратуры с большой токовой нагрузкой.	Преимущественно однослойные конструкции, сложность изготовления многослойных плат, ограниченная совместимость с выводным монтажом, более сложная механическая обработка, склонность к деформации длинных изделий.	Boyu AL-01-P;  Boyu AL-01-A;  Boyu AL-01-B;  Boyu AL-01-L;  GoldenMax GL12

Ещё одной обязательной деталью печатной платы, без которой её функционирование невозможно – это медь. И если кажется, что медной фольге не может быть ничего особенного, то это не так. К основным параметрам медной фольги относятся толщина, способ получения и профиль поверхности. Эти характеристики влияют на токовую нагрузку, точность формирования проводящего рисунка, поведение платы на высоких частотах и применимость материала в жёстких, гибких или силовых конструкциях.

1. Толщина медной фольги

Толщина меди определяет сопротивление проводников, допустимую токовую нагрузку и способность отводить тепло. Чем толще медь, тем лучше она подходит для силовых цепей, источников питания, автомобильной электроники и плат с повышенными токами. Однако увеличение толщины усложняет травление и ограничивает минимальные ширины проводников и зазоров.

Наиболее часто используемые толщины медной фольги:

• 18 мкм — 0,5 oz; 
• 35 мкм — 1 oz; 
• 70 мкм — 2 oz; 
• 105 мкм — 3 oz; 
• 140 мкм — 4 oz. 

В СВЧ-платах большая толщина меди обычно не является главным преимуществом: из-за скин-эффекта ток на высоких частотах протекает преимущественно в поверхностном слое проводника. Поэтому для таких изделий важнее стабильность геометрии, качество поверхности меди и точность расчёта волнового сопротивления. Номиналы 0,5–4 oz часто приводятся как типовые значения толщины медной фольги для PCB, где 1 oz соответствует примерно 35 мкм. 

1. Способ получения фольги

По способу производства чаще всего выделяют два основных типа медной фольги:

• ED / E — Electrodeposited Copper, электроосаждённая медь.
  Наиболее распространённый вариант для жёстких печатных плат. Такая фольга технологична, доступна и хорошо подходит для стандартных, многослойных и массовых изделий. 
• RA / W — Rolled Annealed Copper, катаная отожжённая медь.
  Отличается более высокой пластичностью и стойкостью к многократным изгибам, поэтому применяется в гибких и гибко-жёстких платах, шлейфах и подвижных соединениях. 

Следует отметить, что катаная медь обычно предпочтительнее для гибких плат, а электроосаждённая — для большинства жёстких PCB.

1. Профиль и шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности влияет на адгезию меди к диэлектрику, качество травления и потери сигнала на высоких частотах. Более выраженный профиль улучшает сцепление с основанием, но может увеличивать высокочастотные потери и ухудшать точность формирования тонких проводников. Более гладкая медь, напротив, предпочтительна для СВЧ-плат и высокоскоростных цифровых устройств. Для количественного описания шероховатости обычно используют параметры Rz и Ra, где Rz часто применяют для оценки высоты микронеровностей поверхности меди при расчётах потерь и выборе материала для высокочастотных плат.

Последними в списке, но не по значимости, остаются паяльная маска и маркировка, или шелкография. Безусловно, встречаются проекты без маски и маркировки, однако они, как правило, либо специфичны по своему назначению, либо предельно просты по конструкции. В большинстве же случаев эти элементы являются обязательными атрибутами печатной платы.

Основное назначение паяльной маски заключается в защите поверхности платы и проводящего рисунка. Она изолирует участки меди, не предназначенные для пайки, защищает их от загрязнений, окисления и незначительных механических воздействий, а также снижает риск случайных замыканий. При небольшой толщине, обычно порядка нескольких десятков микрометров, маска обладает достаточно высокими диэлектрическими свойствами и повышает электрическую надёжность поверхности платы. Кроме того, при монтаже компонентов она ограничивает растекание припоя за пределы контактных площадок, что упрощает пайку и уменьшает вероятность образования перемычек.

Отдельно стоит отметить и визуальную функцию. Паяльная маска во многом определяет внешний вид печатной платы. Традиционным цветом маски считается зелёный, поскольку именно он исторически получил наибольшее распространение в производстве. Однако в светотехнике, особенно при изготовлении LED-плат, чаще применяется белая маска: она лучше отражает свет и меньше поглощает излучение, что важно для эффективности и внешнего вида светового изделия.

Маркировка выполняет в первую очередь информационную функцию. Она позволяет определить тип платы, её ориентацию, расположение компонентов, полярность отдельных элементов, обозначения разъёмов и контрольных точек. Это полезно не только при монтаже, но и при тестировании, ремонте и последующем обслуживании устройства. Обычно шелкография наносится отдельной краской, чаще всего белого, чёрного или жёлтого цвета, хотя в отдельных случаях маркировочные элементы могут выполняться и другими технологическими способами.

Таким образом, выбор материалов для печатной платы определяется не только стоимостью и доступностью, но и условиями будущей эксплуатации изделия.