Печатные платы на металлическом основании
Обновлено: 04.10.2024
Металлические печатные платы – особая категория изделий, предназначенная для эксплуатации при интенсивном тепловом воздействии. Здесь используются металлы с высоким коэффициентом теплопроводности.
Производство печатных плат на металле осуществляется с применением заготовки, которая состоит из алюминиевого или медного основания с односторонним медным ламинированием.
Между алюминиевым сердечником и медной фольгой наносится слой диэлектрика.
В качестве диэлектрика могут применяться следующие материалы:
- Полиимид, успешно эксплуатируемый в широком диапазоне рабочих температур.
- Адгезивы и ламинаты T-Lam/T-Preg с низким коэффициентом теплового сопротивления.
- Стандартные ламинаты из стеклотекстолита FR4.
Изготовление печатных плат на алюминиевом основании наиболее распространено по причине ценовой доступности такого основания. Кроме того, медь больше подвержена коррозии, а также проигрывает алюминию в отношении вязкости, что усложняет ее фрезеровку.
Для изготовления алюминиевых печатных плат применяются разные сплавы алюминия, отличающиеся друг от друга по вязкости, механической прочности, теплопроводности. Недорогие сплавы типа 1100 и 5052 применяются в тех случаях, когда сложность механической обработки – не критически важный параметр.
Изготовление печатных плат на металле
Процесс изготовления медных и алюминиевых печатных плат типовой, и начинается он со сверления сквозных монтажных отверстий. В металлизации стенок отверстий нет необходимости.
На заготовку последовательно наносятся следующие слои:
Электропроводящий рисунок
Наносится жидкий или пленочный фоторезист. Это фоточувствительный материал, на котором затем экспонируется проводящий рисунок с помощью шаблонов или лазерного излучения. После проявки фоторезиста незасвеченные участки растворяются.
Затем заготовка отправляется в специальную емкость для травления меди – участки, не защищенные фоторезистом, очищаются от слоя металла.
После травления меди фоторезист снимается.
Паяльная маска
Маска паяльная – это полимерное покрытие, предназначенное для защиты участков платы, которые не подлежат нанесению финишного покрытия. Наиболее часто используется двухкомпонентная паяльная маска в жидком виде.
После нанесения на поверхность платы паяльная маска экспонируется с помощью негативных шаблонов или лазерного излучения. При проявке смываются незасвеченные участки маски – те, что расположены на контактных поверхностях платы.
Готовая паяльная маска полимеризуется в печи, затем маркируется с помощью сетчатого трафарета или струйного принтера.
Финишное покрытие
Финишный слой на контактных участках платы наносится для улучшения качества пайки. Используются два вида покрытий:
- HASL: заготовка окунается в свинцовый или бессвинцовый припой, затем выравнивается горячим воздухом.
- Иммерсионное золото: это многоэтапный процесс нанесения металла поверх послоя никеля.
Преимущества печатных плат на металлическом основании
Печатные платы на металлическом основании недороги в изготовлении, особенно если речь идет об алюминиевых сердечниках. Они обладают низким тепловым сопротивлением, что особенно ценится при производстве светодиодов и силовых модулей. Это бюджетная замена керамическому основанию.
У печатных плат на металле есть несколько преимуществ перед стандартными аналогами:
Технология производства печатных плат в картинках
С технологическими особенностями и базовыми материалами алюминиевых печатных плат на производстве Резонит вы можете ознакомиться по ссылке.
Исходный материал
Исходный материал – металлическое основание, ламинированное с одной стороны медной фольгой.
В качестве диэлектрика могут выступать: стандартные ламинаты на основе FR4, полиимиды, ламинаты с пониженным тепловым сопротивлением (T-Lam,T-Preg), адгезивы с пониженным тепловым сопротивлением.
В качестве основания могут быть использованы листы меди или алюминия толщиной 1-3мм. Наиболее распространенная толщина медной фольги – 35мкм.
Сверление сквозных отверстий
На специализированных станках с ЧПУ в плате сверлятся отверстия.
Это первая операция, влияющая на точность (класс) печатной платы. Точность сверления отверстий зависит от применяемого оборудования и инструмента. Значения позиционных допусков осей отверстий в диаметральном выражении (по ГОСТ Р 53429-2009) в миллиметрах:
| Размер большей стороны ПП | Позиционный допуск на расположение осей отверстий для класса точности | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| До 180 включительно | 0,20 | 0,15 | 0,08 | 0,05 | 0,05 | 0,03 | 0,03 |
| Свыше 180 до 360 включительно | 0,25 | 0,20 | 0,10 | 0,08 | 0,08 | 0,05 | 0,05 |
| Свыше 360 | 0,30 | 0,25 | 0,15 | 0,10 | 0,10 | 0,08 | 0,08 |
Нанесение фоторезиста
Следующий этап – нанесение на заготовку фоточувствительного материала (фоторезиста). Этот этап проходит в чистой комнате с неактиничным (желтым) освещением (фоторезист светочувствителен к ультрафиолетовому спектру). Фоторезист бывает пленочным (наносится на заготовку ламинированием) и жидким (наносится валиками).
Экспонирование фоторезиста
1 вариант: Экспонирование с негативными фотошаблонами
С заготовкой совмещается фотошаблон. Круг, часть которого изображена – контактная площадка. Изображение на фотошаблоне – негативное по отношению к будущей схеме.
Участки поверхности, прозрачные на фотошаблоне, засвечиваются, фотополимеризуются и теряют способность к растворению в установке проявления. После экспонирования фотошаблоны удаляются.
2 вариант: Прямое экспонирование фоторезиста
Экспонирование фоторезиста происходит на установках прямого лазерного экспонирования без использования фотошаблонов. Источником излучения при этом может быть UV лазер или UV светодиодная матрица.
Проявление фоторезиста
Изображение на фоторезисте проявляется: не засвеченные участки растворяются в проявочном растворе, открывая отверстия и топологию для осаждения гальванической меди, засвеченные – остаются на плате. Назначение оставшегося фоторезиста – защита медной фольги при последующем травлении.
Травление меди
На этом этапе фоторезист защищает медь от травления. Незащищенная медь растворяется в травящем растворе, оставляя на плате рисунок будущей схемы. Травление осуществляется в горизонтальной конвейерной машине.
Удаление фоторезиста
Фоторезист удаляется, обнажая базовую медную фольгу на проводниках. Таким образом, мы получили рисунок топологии печатной платы.Далее заготовки передаются на автоматическую оптическую инспекцию для проверки качества травления.
Нанесение защитной паяльной маски
Для защиты поверхности платы и медных участков, не подлежащих нанесению финишного покрытия, на плату наносится защитная паяльная маска. Наиболее широко распространена жидкая двухкомпонентная фоточувствительная паяльная маска. Сухая пленочная паяльная маска обеспечивает хорошие результаты по тентированию переходных отверстий, наносится методом ламинирования, но в настоящее время используется редко, т.к. не подходит для печатных плат выше 3 класса точности. Жидкая паяльная маска наносится методом сеткографии через сетчатый трафарет, причем существует два варианта нанесения. Через готовый трафарет, когда в сетке уже сформированы все окна вскрытия, и маска наносится только на защищаемые участки печатной платы (такой вариант имеет невысокое разрешение и применяется, как правило, на односторонних печатных платах ниже 3 класса точности), и сплошное нанесение маски с использованием метода трафаретной печати и последующим экспонированием через фотошаблон или прямым экспонированием.Перед нанесением маски поверхность меди очищается, затем развивается необходимая шероховатость для хорошей адгезии маски.
Жидкая маска продавливается ракелем через сетку на всю поверхность заготовки. Нанесенный слой подсушивается в печке до образования сухой поверхности. Для печатных плат с маской с двух сторон процесс повторяется. Подсушенные заготовки передаются на экспонирование.
Экспонирование защитной паяльной маски
С заготовкой совмещается фотошаблон. Круг, часть которого изображена – контактная площадка. Изображение на фотошаблоне – негативное по отношению к будущей схеме.Участки поверхности, прозрачные на фотошаблоне, засвечиваются, фотополимеризуются и теряют способность к растворению в растворе проявления. После экспонирования фотошаблоны удаляются.
2 вариант: Прямое экспонирование защитной паяльной маски
На установке прямого экспонирования маска засвечивается UVлазером или UVсветодиодной матрицей. Засвечиваемые участки полимеризуются и теряют способность к растворению в растворе проявления.
Проявление защитной паяльной маски
Незасвеченные участки маски смываются в линии проявления. Качество сформированных масочных слоев проверяется контролером. После контроля заготовки помещаются в печку для окончательной полимеризации.
Печать маркировочной краски
1 вариант: Печать маркировочной краски через сетчатый трафарет
Для идентификации монтируемых компонентов большинство изготавливаемых печатных плат имеют маркировку. Маркировка наносится после проявления маски.
Через сетчатый трафарет наносится маркировка контуров, позиционных номеров, типов и номиналов компонентов.
2 вариант: Струйная печать маркировочной краски
По аналогии с обычным струйным принтером изображение формируется капельками чернил отверждаемых ультрафиолетом.
Струйный метод является современным и эффективным способом нанесения маркировки.
Заготовки с напечатанной маркировкой передаются на контроль качества.
Нанесение финишного покрытия HASL
На открытые от маски участки меди различными методами наносится финишное покрытие для обеспечения качественной пайки.
HASL (Hot Air Solder Leveling). Нанесение припоя путем окунания заготовки в расплавленный припой с последующим выравнивание горячим воздухом. Возможно применение (в разных установках) свинцового и бессвинцового (leadfree) припоя.
Односторонние платы на металлическом основании
Предварительная стоимость для стандартных параметров: Alu5052 TC1,0W/mK 1,5 мм; фольга 35 мкм; белая (Led white) маска; зеленая маркировка; ПОС-63; подготовка к производству (в т.ч. НДС) Дополнительно оплачивается
Проверка на робота не пройдена
алюминий, (Huazheng, Totking)
0.20 мм / 0.20 мм;
0.90 мм / 1.20 мм
390 мм х 485 мм
Сроки изготовления:
срочные - от 3 рабочих дней
стандарт - от 15 рабочих дней
Дни приема и доставки заказа в сроках изготовления печатных плат не учитываются
Технологические возможности производства
| Минимальные значения, мм | Фольга, мкм | Стандарт | Продвинутый (коэффициент 1.5) | Предельный (стоимость по запросу) |
| Проводник | 35 | 0,200 | — | — |
| Зазор между проводниками | 35 | 0,200 | — | — |
| Проводник спирального типа (катушки, нагреватели и т.д.) | 35 | 0,250 | — | — |
| Зазор между проводниками спирального типа (катушки, нагреватели и т.д.) | 35 | 0,250 | — | — |
| Зазор между полигоном и элементами остальной топологии | 35 | 0,200 | — | — |
| Масочный мостик между контактными площадками (зеленая) | 18 35 | 0,150 | 0,100 | см. значения для "Продвинутый" |
| 70 105 | 0,175 | 0,150 | см. значения для "Продвинутый" | |
| Масочный мостик между контактными площадками (синяя, красная, черная, белая) | 18 35 | 0,150 | 0,150 | см. значения для "Стандарт" |
| 70 105 | 0,175 | 0,175 | см. значения для "Стандарт" | |
| Припуск паяльной маски (зеленая) (expansion, Solder Mask Swell) | 18 35 | 0,050 | 0,025 | см. значения для "Продвинутый" |
| 70 105 | 0,075 | 0,050 | см. значения для "Продвинутый" | |
| Припуск паяльной маски (черная, белая) (expansion, Solder Mask Swell) | 18 35 | 0,050 | см. значения для "Стандарт" | см. значения для "Стандарт" |
| 70 105 | 0,075 | см. значения для "Стандарт" | см. значения для "Стандарт" | |
| Припуск паяльной маски (синяя, красная) (expansion, Solder Mask Swell) | 70 105 | 0,075 | 0,050 | см. значения для "Продвинутый" |
| Минимальный отступ металла от вскрытия маски | — | 0,100 | 0,075 | см. значения для "Стандарт" |
| Минимальный диаметр монтажного отверстия | — | 0,900 | — | — |
| Минимальное расстояние между краями двух отверстий | — | 0,200 | — | — |
| Отступ элементов топологии от края печатной платы на алюминиевом основании при скрайбировании | — | 0,600 | — | — |
| Отступ элементов топологии от края печатной платы на алюминиевом основании при фрезеровании | — | 0,250 | — | — |
| Минимальная ширина линии маркировки | — | 0,150 | — | — |
| Минимальная высота шрифта маркировки | — | 1,000 | — | — |
Материалы для плат на алюминиевом основании
Маска
| Цвет | Фольга, мкм | Стандарт | Продвинутый | Dk |
| Масочный мостик между контактными площадками (зеленая) | 18 35 | 0,150 | 0,100 | 3,5 |
| 70 105 | 0,175 | 0,150 | 3,5 | |
| Масочный мостик между контактными площадками (синяя, красная, черная, белая) | 18 35 | 0,150 | 0,150 | 3,5 |
| 70 105 | 0,175 | 0,175 | 3,5 | |
| Припуск паяльной маски (зеленая) (expansion, Solder Mask Swell) | 18 35 | 0,050 | 0,025 | 3,5 |
| 70 105 | 0,075 | 0,050 | 3,5 | |
| Припуск паяльной маски (синяя, красная) (expansion, Solder Mask Swell) | 18 35 | 0,050 | 0,025 | 3,5 |
| 70 105 | 0,075 | 0,050 | 3,5 | |
| Припуск паяльной маски (черная, белая) (expansion, Solder Mask Swell) | 18 35 | 0,050 | см. значения для "Стандарт" | 3,5 |
| 70 105 | 0,075 | см. значения для "Стандарт" | 3,5 | |
| Минимальный отступ металла от вскрытия маски | — | 0,100 | 0,075 | 3,5 |
Маркировка
| Тип | Стандарт | Цвет |
| Agfa DiPaMat Legend ink Wh 04 | IPC SM840 | Белый |
| H-9100 | IPC SM840 | Зеленый |
Финишные покрытия
| Тип | Толщина покрытия, мкм | Толщина подслоя Ni, мкм |
| ПОС-63 | не менее 10,0 | - |
Механическая обработка
| Механическая обработка | Минимальная толщина ПП, мм | Точность позиционирования, +/- мм |
| Фрезерование | 0,80 | 0,20 |
| Скрайбирование | 0,80 | 0,25 |
Специальные возможности
| Специальные возможности | Ограничения |
| Неметаллизированные пазы, выполняемые фрезерованием | минимальная ширина паза 2,0 мм; радиус скругления 1,0 мм для пазов шириной ≥ 2,0 мм |
Ограничения
| Параметр | Ограничение |
| Механическая обработка плат площадью менее 0,3 дм² | могут изготавливаться в составе групповой заготовки; поштучное разделение плат оплачивается дополнительно |
Требования к комплектам
| Параметр | Требование |
| Минимальная площадь комплекта | 0.3 дм² |
| Максимальный размер комплекта | 160.0 мм х 190.0 мм |
| Состав одного комплекта | не более 5 плат |
| Зазор между платами в комплекте | не менее 2.0 мм |
| Отношение площади трассировки к площади отдельных плат в комплекте | не должно отличаться более, чем в 2 раза |
| Толщина материала, фольги, цвет маски/ маркировки, тип финишного покрытия | должны быть одинаковые для всех плат в комплекте |
| Механическая обработка | комплекты плат изготавливаются в составе групповой заготовки вне зависимости от площади комплекта; линия скрайбирования может проходить только через весь комплект |
| Электротестирование | комплект плат с электротестированием должен иметь прямоугольную форму без выступов и углублений |
| Расположение перемычек (mill tabs) между платами | не менее одной перемычки шириной 1.5 мм на каждой из сторон для сохранения жесткости комплекта |
Наше срочное производство предлагает услугу изготовления печатных плат на металлическом основании (алюминиевые печатные платы). Данный тип печатных плат, в основном, находит применение в конструкциях, требующих повышенного теплоотвода от компонентов (источники питания, схемы управления двигателями и т.п.).
В технопарке Резонит используется металлическое основание из алюминия, на которое с помощью диэлектрика (препрега) закрепляется медная фольга. Такая конструкция печатной платы обеспечивает хороший теплоотвод в пределах 1-3 Вт/(м·К) и высокую механическую прочность.
Печатные платы
Печатная плата представляет собой панель или пластину, состоящую из одного или пары токопроводящих рисунков. Они располагаются на поверхности диэлектрического основания. В некоторых случаях используется система проводящих рисунков, находящихся на поверхности и в объеме диэлектрического основания. Основное назначение печатных плат — механическое крепление квантовой электроники и электронной техники, а также их электрическое соединение.
Разновидности печатных плат
Простейший вариант — пластина с медными проводниками на одной из сторон, связывающими элементы токопроводящего рисунка только на ее поверхности. Такие изделия известны как однослойные печатные платы (ОПП).
Одним из самых популярных вариантов являются двухслойные платы (ДПП), содержащие два слоя (проводящий рисунок располагается с обеих сторон изделия). Для соединения проводников предусмотрены сквозные переходные и монтажные металлизированные отверстия. В зависимости от сложности конструкции, например если разводка проводников становится слишком сложной, на производстве заказываются многослойные печатные платы (МПП). Они выполняются из чередующихся слоев изоляционного материала, при этом проводящие рисунки находятся на двух и более сигнальных слоях, между которыми реализуются необходимые соединения. Для обеспечения электрической связи между ними используются отверстия с химико-гальванической металлизацией.
Ключевые достоинства многослойных печатных плат:
- вариативность по количеству слоев (4, 6, … 24 и более);
- устойчивость к механическим и климатическим воздействиям;
- высокая плотность и надежность монтажа.
Высокочастотные печатные платы выполнены из специальных материалов и имеют стабильные характеристики. Сочетаются с обычными FR4, могут использоваться для работы в диапазоне от десяти до сотен МГц, имеют высокие показатели согласования линий передач.
Для производства чаще всего используются фторопласты, которые обрабатываются несколькими способами:
- тентинг-методом;
- позитивным комбинированным.
У комбинированного позитивного метода есть отличие: наличие фазы нанесения металлорезиста на поверхность из меди. Изготовление высокочастотных печатных плат тентинг-способом существенно облегчает производственный процесс, минимизируются денежные и временные затраты.
Ключевая особенность печатных плат: при создании многослойных диэлектриков ламинаты задействуются только в качестве внешних слоев, при этом внутренние заполняются обычными стеклотканевыми эпоксидными материалами.
Особый класс печатных плат — с погребенными и слепыми отверстиями. Они представляют собой изделия с переходными отверстиями, которые выполняются по технологии:
- сверловки на глубину с дальнейшей металлизацией;
- micro-Via;
- сквозной сверловки и металлизации отверстий в «полупакетах» с дальнейшей общей прессовкой многослойной печатной платы.
В некоторых случаях используется комбинация вышеперечисленных методов.
Гибко-жесткие и гибкие печатные платы выполняются с использованием тонких и гибких диэлектриков, а также отдельных конструкций. Незаменимы в тех случаях, когда выдвигаются высокие требования к отводу тепла, например:
- в системах управления двигателями;
- в источниках питания и т. д.
Они выполняются на металлическом основании. В ряде случаев используется печатная плата, дополненная металлическим ядром и толстым теплоотводящим слоем.
В последнее время активно выпускаются планарные трансформаторы, представляющие собой отдельные МПП и элементы трассировки в составе многослойных печатных плат, где роль обмоток трансформаторов или дросселей играют дорожки на ПП. Они выполняются классическим для них способом и разделяются слоями изоляционного материала. Это позволяет добиться:
- малых габаритных размеров;
- прекрасных эксплуатационных характеристик;
- высокой надежности;
- повторяемости характеристик от изделия к изделию.
Компания PCB technology занимается выпуском и поставками качественных печатных плат различных типов. Получить дополнительную информацию и оставить заказ можно, позвонив консультантам по контактному номеру.
Печатные платы на металлическом основании
Внешне плата на металлическом основании представляет собой обычную печатную плату, с одной стороны которой располагается металлическая пластина. Она соединяется с печатной платой при помощи тонкого слоя препрега - диэлектрика с высокой теплопроводностью. Могут быть однослойными и многослойными.
Платы на металлической основе применяются в первую очередь для изделий, в которых необходимо рассеивать большую тепловую мощность: для устройств с мощными SMD светодиодами, в твердотельных реле, источниках питания, в схемах управления двигателями.
В зарубежной литературе для таких плат используют аббревиатуры: IMS (Insulated Metal Substrate), MCS (Metal Core Substrate).
Печатные платы с металлическим основанием имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными платами:
- Более низкая рабочая температура за счет прессования с теплостоком
- Минимальные потери тепла при максимальном теплоотводе
- Высокая надежность: высоковольтная, температурная, влажностойкость
- Максимальная проводимость, особенно во внутренних слоях
Металлическое основание
В качестве металлической основы печатных плат используются различные сплавы алюминия, а также медь, железо и нержавеющая сталь. Каждый из этих материалов имеет как свои плюсы, так и минусы.
Сплавы на основе алюминия обладают хорошей теплопроводностью (140-220 Вт/(м·К)). Необходимо только выбрать оптимальный вариант сплава, которые отличаются между собой теплопроводностью, простотой механической обработки и стоимостью. Чем выше теплопроводность сплава тем материал вязче и хуже подвергается фрезерованию, более коррозионностойкие сплавы существенно дороже.
Помимо алюминиевых сплавов широко распространены медные основания. Но медь из-за своей вязкости плохо поддается фрезеровке, легко корродирует и дорого стоит. Правда все эти недостатки с лихвой компенсирует отличная теплопроводность меди – 390 Вт/(м·К), что часто является решающим преимуществом при выборе материала подложки.
Иногда в качестве оснований теплопроводящих печатных плат используют и нержавеющую сталь. Ее явные достоинства – высокая коррозионная стойкость и механическая прочность, существенно превосходящие алюминиевые и медные аналоги. Однако у стали низкая теплопроводность и относительно высокая цена. Кроме того для ее обработки требуется специальное фрезерное оборудование.
В конструкции плат с металлическим основанием важную роль играет коэффициент температурного расширения (КТР). Использование материалов с большим КТР при высоких температурах приводит к внутренним структурным механическим напряжениям. Поэтому для высокотемпературных применений, где данный параметр критичен, используют материалы с подложкой из низкоуглеродистой стали с малым КТР.
Медная фольга
Используется стандартная медная фольга толщиной 35-350 мкм.
Диэлектрик
Самый важный элемент печатных плат, наиболее серьезно влияющий на их свойства и стоимость, – это диэлектрик. Обычно в качестве диэлектрика используются препреги FR4 (стеклоткань с эпоксидным связующим), препреги на основе стеклоткани и эпоксидной смолы с различными теплопроводящими наполнителями, также препреги из композитных материалов — смеси полимера со специальной керамикой. Полимер выбирается исходя из его диэлектрических свойств, тогда как керамический наполнитель предназначен для улучшения теплопроводности, благодаря чему материал имеет и отличные диэлектрические свойства, и очень низкое тепловое сопротивление.
Законодателями мод в области материалов для печатных плат с металлическим основанием выступают компании CCAF, Bergquist, Laird, Ventec, ShenYi , ITEQ, Rogers , ISOLA .
Большинство технологических процессов изготовления печатных плат с металлическим основанием, таких как травление, нанесение защитной маски и финишного покрытия, маркировка, аналогичны процессам изготовления традиционных плат из FR-4 и отличаются только режимами механической обработки контура и сверловки.
One Response to Печатные платы на металлическом основании
довольно специфический продукт в отличие от плат FR-4.
наверное, мало кто производит его в промышленных масштабах.
тут ведь и сертификаты типа UL нужны…
Читайте также: