ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МИНИАТЮРИЗАЦИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

В наше время производство электронных изделий и компонентов развивается стремительными темпами. Происходит повышение производительности и функциональности, а габаритные размеры самих изделий и компонентов продолжают уменьшаться. Повышение интеграции микроэлектроники приводит к разработке новейших конструкторских и технологических решений, которые способствуют не только повышению производительности и надежности микроэлектроники, но и уменьшению их размеров. Этому способствует все большая автоматизация технологических процессов при изготовлении микроэлектроники, что значительно увеличивает точность изготовления, быстроту и надежность микроэлектроники при меньших финансовых и временных ресурсов. В настоящее время одной из главных характеристик электроники является размеры и быстродействие. Из этого следует, что развитие электроники – это стремление к миниатюризации электроники и повышение ее быстродействия.

Повышение конструктивных и технологических требований к печатному монтажу четко прослеживаются в области вычислительной техники. Повышение быстродействия элементной базы значительно зависит от длины связей между логическими элементами, так как длина проводника микросхемы оказывается сильное влияние на задержку передаваемого сигнала. Следует, что для повышения быстродействия и уменьшения размеров элементов микросхемы необходимо максимально снизить задержки в межсоединениях – сократить длину проводников микросхемы. Это происходит при увеличении степени интеграции логических элементов, создании более плотной компоновки микросхемы на ПП за счет увеличения частоты межсоединений и уменьшении длины проводников.

Плотность межсоединений и длина проводников МПП связана с технологическим процессом изготовления печатной платы, а также с точностью проектируемой конструкции.

Разберем главные проблемы увеличения плотности межсоединений ПП:

1. Воздействие контактных площадок.

2. Уменьшение ширины линий связи и зазоров.

3. Повышение числа проводящих слоев.

1. Воздействие контактных площадок.

Основной проблемой повышения плотности межсоединений необходимой для уменьшения габаритов ПП, являются контактные площадки (КП) микросхемы большого диаметра, что значительно уменьшает пространство под проводники между отверстиями (рис.1) [1, c. 84]. Размер КП определяются тем, что они являются целью для сверла при сверлении отверстий. Увеличение погрешности совмещения межсоединений в пространстве, способствует большему размеру КП. Поэтому поясок КП нужен для того, чтобы компенсировать смещения компонентов в МПП относительно друг друга и не допустить попадания отверстия за пределы КП. Данные несовпадения вызываются из-за несоответствия размерной составляющей материала печатной платы и из-за перемещения основания при производстве платы.

Рисунок 1. Трассировочное пространство ПП

Для правильного функционирования необходимо чтобы КП опоясывала переходное отверстие (рис.2). При выходе переходного отверстия за границу КП (рис.3,4) появляется вероятность стыковочного присоединения проводника с металлизацией отверстия. Данное соединения в печатной плате непрочное, что может привести к повреждению при пайке и другим нежелательным последствиям.

Рисунок 2. Рекомендуемое попадание отверстия в КП (слева) и допустимое смещение отверстия относительно КП(справа)

Рисунок 3. Нежелательное смещение отверстия

Рисунок 4. Недопустимое смещение отверстия

Следовательно, надежное соединение производится только при существовании гарантированного пояска охвата КП. Минимальные размеры, чаще всего, принимаются равной толщине фольги [2, с. 18]. Минимальный размер КП высчитывается из условий обеспечения минимальной ширины гарантированного пояска охвата, учитывая все погрешности производства.

Формула грубого расчета размера КП [3, с. 90]:

Jmin -  минимальный размер КП;

М - диаметр сверления;

G - минимальная ширина пояска охвата металлизированного отверстия КП;

T - смещение центра КП из за погрешности технологического характера;

Двукратное уменьшение диаметра КП позволяет трехкратно выиграть в плотности разводки линий связи. Это позволяет убрать как минимум от половины слоев ПП.

2. Уменьшение ширины линий связи и зазоров.

Чем меньше ширина проводников и зазоров, тем большее количество линий связи можно расположить на любом слое платы. Но понижать ширину проводников постоянно невозможно. Такое уменьшение ограничено токонесущими характеристиками и сопротивлениями проводников [3, с.90]. Еще сказываются технологические ограничения проводников, объединенные непосредственно с процессом изготовления. Имеются ограничения и на изоляционные зазоры.

При достижении уменьшения ширины проводников учтя описанные ограничения можно продуктивно повлиять на плотность соединений и понизить себестоимость производства ПП.

Еще одним технологическим параметром, мешающий уменьшению ширины проводников и зазоров, является экспоненциальное увеличение числа дефектов, выявляющиеся при формировании рисунка слоев (рисунок 5).

Рисунок 5. Выход годных плат в зависимости от ширины проводника

Переход от 5 к 6 классу точности сопровождается десятикратным повышением числа дефектов. Многие их этих дефектов исправляются на этапах межоперационного контроля (для выявления и ликвидации дефектов на слоях требует дорогое и современное оборудование), но процент бракованных изделий неминуемо повышается. Всё это приводит к увеличению стоимости продукции с низкими значениями соотношения проводник - зазор при прочих равных параметрах ПП.

3. Повышение числа проводящих слоев.

Повышение числа проводящих слоев – одно из самых лучших решений повышения плотности межсоединений, которое способствует уменьшению габаритных размеров плат. Этот подход широко применялся в прошлом, тем не менее, когда результативность затрат на изготовление подложек стала иметь высокое значение, необходимым стало проводить внимательный анализ проекта для уменьшения числа слоев ПП, потому что с каждым дополнительным слоем значительно повышаются затраты на производство платы. Как видно из рисунка 6, существует линейная зависимость между тратами на изготовление платы и количеством слоев. Всякое повышение числа слоев сигнальной разводки в платах, действующих на высоких (>1ГГц) частотах, удвоит общее число слоев из-за необходимости использования экранных слоев (слоев заземления или слоев питания) между слоями сигнальной разводки.

Типичный пример влияния числа слоев на конечную стоимость изготовления можно видеть на рисунке 6 [4, с. 50].

Рисунок 6. Сравнительная цена МПП в зависимости от количества слоев и ширины проводника

Повышение производительности и уменьшение габаритов печатных плат связано с большим числом проблем на производственном уровне. Тем не менее при разработке новых конструкторских и технологических решений, связанных с повышением плотности и надежности межсоединений в печатных платах, позволяет изготавливать изделия все меньшего размера без потери их функциональности, что является одним из важнейших факторов при производстве современной микроэлектроники.

Список литературы:

1. Медведев А. Печатные платы. Конструкции и материалы. – М.: Техносфера, 2005.
2. Чернышов А. Классы точности печатных плат // Печатный монтаж (приложение к журналу «Электроника. НТБ»). 2009. Т. 75. № 6. С. 18-21.
3. Лезе А., Шойерман У. Трассировка силовых цепей на печатных платах FR4: рекомендации и ограничения // Компоненты и Технологии. 2010. № 1. С. 90-93.
4. Печатные платы. Справочник (В 2-х книгах) / Под ред. К. Кумбза. Москва: Техносфера, 2011. Кн.І.С. 1016.