Rambler's Top100

Платные услуги

Владимир Николаевич, Vnikolaevich@mail.ru
Опубликовано: 8.2.2005


© 2002, Издательский дом «КОМПЬЮТЕРРА» | http://www.computerra.ru/
Журнал «Компьютерра» | http://www.computerra.ru/
Этот материал Вы всегда сможете найти по его постоянному адресу: http://www.computerra.ru/offline/2005/577/37559/

«Компьютерра» редко опускается в своих материалах до описания технологических процессов, и даже «железные» статьи у нас обычно пишутся о готовых устройствах. Между тем, нас читают не только рафинированные программисты, не всегда знающие за какой конец держать паяльник, но и опытные мастера, одной левой меняющие севшие светодиоды в мыши, а то и вовсе переделывающие ее в охранную сигнализацию. Дабы первые смогли немного «подучить матчасть», а вторые ознакомиться с парой-тройкой интересных идей, далее речь пойдет о вещах, на которых вся микроэлектроника стоит в самом буквальном смысле слове. То есть — о печатных платах.

Печатные платы (printed circuit board, PCB) появились не так давно — после Второй мировой войны. До их изобретения детали электроприборов монтировались на плоских пластинах, соединяясь между собой обычными проводами. Как бы мы сказали теперь — перемычками, которые иногда скручивались между собой и пропаивались, а иногда крепились винтами ко множеству контактных колодок, разбросанных по всей плате. Таким образом (навесным монтажом) делали даже телевизоры, хотя способ этот был крайне трудоемким, не поддавался никакой автоматизации, а ошибки в ручной разводке могли случаться на каждом экземпляре, несмотря на постоянную сверку с фотографиями контрольных образцов.
Попытки облегчить монтаж предпринимались неоднократно, разными людьми и с разным успехом. По одной из версий первым до печатной платы додумался австриец Пол Эйслер (Paul Eisler), работавший в Англии и сделавший такую плату, как основу радиоприемника. Было это в 1936 году, но в массовом порядке новая технология стала применяться только с 1943 года американцами, при производстве военных радиостанций. По другим данным, первыми были не радиоприемники, а бесконтактные взрыватели зенитных снарядов и мин, которые американская фирма Globe Union выпускала во время войны. Они содержали керамическую пластинку, рисунок проводников на которой создавался через трафарет, так же как и несколько слоеных резисторов, которые тоже «рисовались» на той же плате, но уже через другой трафарет. Интересно, что СССР почти не отставал в данной сфере — в конце 40-х годов у нас был разработан переносной приемник с печатной платой, а в середине 50-х он уже продавался под маркой «Дорожный». Дальнейшее стремительное развитие и усложнение электрических схем (особенно после появления транзисторов) сделали печатную технологию массовой и доминирующей.

Впрочем, не окончательно. Любительские конструкции до сих пор выполняются навесным монтажом. Аудиофилы также любят эту технологию (вместе с электролампами), поскольку уверены, что лишь толстые перемычки могут передавать качественный звук, а плоские дорожки — для попсы. Кроме того, некоторые конструкции иногда выполняются на «платах для монтажа накруткой» — wire-wrap board. Именно такая плата была у компьютера «Альтаир-88», продававшегося в виде набора для самостоятельной сборки в 1975 году, и даже сегодня на некоторых предприятиях монтаж накруткой используется на мелкосерийных кросс-платах, объединяющих несколько сложных блоков. Однако, все это экзотика, и магистральный путь давно занят именно печатными платами.

За истекшие десятилетия они практически не изменились. Как и полвека назад, это пластины из дешевого композита — картона или стеклоткани, пропитанные эпоксидной смолой и покрытые фольгой. Иногда применяют другую основу — металлическую (покрытую изоляцией), для лучшего рассеивания тепла, или керамическую, для очень высокочастотных схем. На поверхности большинства плат хорошо виден узор из токопроводящих дорожек, сложность которого нередко превосходит любые отпечатки пальцев, а ширина дорожек (уже приблизившаяся к десятой доле миллиметра), является главной характеристикой любой платы. Еще одна важная характеристика — количество слоев разводки, поскольку одного слоя хватает лишь для самых простых схем. Сложные приборы требуют двухсторонней разводки, а в компьютерной технике используются платы из пяти, шести, семи и более слоев. Самые продвинутые компании принимают заказы на более чем двадцатислойные платы. Делают такие «бутерброды» из нескольких двухслойных (с уже готовой разводкой) плат, склеивая их под прессом. Соединение слоев разводки между собой — отдельная история, которую мы расскажем в другой раз.

Разглядывая рисунок на материнской плате своего компьютера, многие пользователи наверняка задавались вопросом — как создается такая кровеносная система? Понятно же, что хотя платы и называются печатными, сегодня металлические полоски не печатают на пластик, как в типографии.

Думается, среди наших читателей найдутся люди, делавшие это самостоятельно. Конечно, не для компьютеров, а кое-чего попроще, но при советской власти тысячи любителей регулярно создавали печатные платы у себя дома. Найдя в журнале нужную схему, мы от руки копировали ее разводку на кусок фольгированного гетинакса, рисуя все дорожки и контактные площадки каким-нибудь лаком. Затем пластинку с лаковым рисунком погружали в раствор чего-нибудь едкого, обычно хлорного железа, купленного в магазине «Химреактивы». Примерно за час вся непокрытая лаком медь растворялась, лак с дорожек смывался растворителем и плата, не столько печатная, сколько рисованная, была готова.

Сейчас, конечно, этим мало кто занимается. Если нельзя купить все готовое, в крупных городах плату заказывают специальной фирме — нарисуют и вытравят в лучшем виде. А в провинции… В провинции с некоторых пор используют метод под названием «лазер и утюг». Судя по эффективности и необычности, его изобрели именно в России. Знаете ли вы, дорогие читатели, что обычный тонер при нагреве ведет себя как полимер, неплохо прилипая к обезжиренной меди? И что с помощью этого тонера, утюга и листа глянцевой бумаги можно создавать платы, почти сравнимые с заводскими? Представьте себе, что простым лазерным принтером распечатывают большую сложную схему, выставив максимальное качество печати, что бы слой тонера был потолще. Печатать можно на самых разных материалах (их необходимые свойства см. в Сети), вплоть до оборотной стороны настенных календарей и страниц мелованных журналов. Главное, чтобы тонер не осыпался с листа и принтер этот лист не зажевал. Напечатав таким образом зеркальный вариант разводки, лист с тонером прикладывают к заготовке платы и аккуратно прогревают утюгом. Тонер сцепляется с медной поверхностью, а бумагу снимают «всухую» или отмачивают. В результате на фольге получается рисунок, по аккуратности близкий к заводскому. Затем плату травят обычным способом, получая дорожки шириной до полумиллиметра. Экономия времени и сил получается огромная.

Все это, конечно, любительские технологии, но от промышленных они отличаются лишь классом точности и числом промежуточных этапов. Сегодня подавляющее большинство плат во всем мире создается тем же самым химическим «травлением» — субтрактивным удалением меди в разного рода растворах. Интересно, что при массовом производстве серьезной аппаратуры, рисунок дорожек не наносят на платы одни махом, как в типографии на бумагу. Скорее, процесс похож на «печатание» фотографий — всю заготовку покрывают светочувствительным слоем, через прозрачный шаблон с рисунком разводки ее освещают ультрафиолетом, а затем облученные участки смываются растворителем. Только после этого проявляется нужный рисунок и его можно «травить». Впрочем, для бытовой техники (простых телевизоров, приемников), где не нужна большая точность, рисунок создают прямой трафаретной печатью — так гораздо дешевле.

Как легко догадаться, субтрактивное удаление требует набора химических реагентов, оставляющих после себя ядовитые отходы. Между тем, лишнюю медь можно снимать с платы и по-другому. Например, выжигая электроискровой машинкой, стачивая маленькой фрезой или даже испаряя лазером. Все это могут делать автоматические станки, однако, подобные изыски оправданы лишь при опытном производстве, когда нужно быстро сделать несколько разных вариантов платы. Большие тиражи приходится только «травить», поскольку именно эта технология позволяет изготавливать платы групповым методом, то есть много плат одновременно.

Ширина дорожек, полученных субтрактивным методом, зависит от толщины фольги, которой покрыто основание — чем тоньше фольга, тем уже могут быть дорожки. На сегодняшний день достигнуты следующие показатели: дорожки шириной 0,2–0,15 мм могут быть вытравлены из фольги толщиной 0,05 мм, шириной 0,1 мм из фольги 0,02, а для достижения ширины 0,05 мм необходим сверхтонкий слой в 0,009–0,005 мм (www.rezonit.ru/pcb/articles/technology/07).

Если кто-либо спросит, зачем нужна разводка тоньше волоса, напомним, что число выводов на современных микросхемах (например, Athlon 64) вплотную подошло к тысяче штук, и даже в многослойной плате подвести сигналы ко всей тысяче выводов можно лишь очень тонкими проводниками. В будущем ситуация лишь усугубиться и скоро нас ждут кристаллы с полутора тысячами ножек, при этом, кстати, потребляющие довольно большой ток. Поскольку разводка из сверхтонкой фольги имеет большое сопротивление, вместо субтракции начинает все чаще применятся другой метод — аддитивное формирование, суть которого в создании разводки осаждением металлов на специальные подложки, которые затем впрессовываются в основу-изолятор. Хотя этот метод не убирает с платы лишний метал, а наоборот, добавляет куда надо, технологически он гораздо сложнее травления и требует еще больше химикатов.

Вполне естественно, что многие компании ищут кардинально иные способы производства печатных плат. Даже беглый интернет-поиск дает целый букет многообещающих разработок, по словам создателей, одна лучше другой. Вот три выбранные наугад: американская компания TDA Research создала пластмассу Oligotron, которая хорошо проводит ток, не боится воды и растворяется ацетоном. Таким образом, ее можно использовать как токопроводящие «чернила» для рисования на плате готовой разводки. Британская QinetiQ предлагает печатать дорожки, которые сами ток не проводят, но в особом растворе покрываются слоем металла за пару минут. Seiko Epson разработал технологии струйной печати электрической разводки. С помощью двух типов чернил — изоляционных и содержащих наночастицы серебра, японская компания создала двадцатислойный прототип платы толщиной всего 200 мкм. При этом, сроки практического применения нового метода названы не были.

Очевидно, что найти выгодную замену традиционной химии будет нелегко, но поиски альтернативы ведутся во многих странах и, рано или поздно, что-то лучшее наверняка будет изобретено. Возможно даже, что новая технология родится в России, как это бывало не раз. Отечественные левши иногда умудряются идти вровень с зарубежными коллегами, работая на голом энтузиазме, и печатные платы не являются исключением. Так, в журнале «Изобретатель и Рационализатор» (№4 за 2003 год) была описана технология В. Ратникова, при которой разводка на плате создается осаждением меди из газовой среды. В 2004 году воронежец Алексей Чернышев получил несколько российских патентов на способ изготовления плат с помощью паяльных паст и клеевых подложек, позволяющий делать разводку вообще без меди на любых твердых поверхностях, вплоть до корпусов самих приборов (Подробнее см. www.plata.skif.biz). Пока это лишь эксперименты, но есть и пример внедрения уникального метода.

В 1990-х годах двое ученых из ВНИИ радиотехники — Хамаев и Самарцев, удачно модернизировали технологию многослойных плат на пленочной основе, разработанную до перестройки в Зеленограде. Их метод не требует серьезной замены оборудования, он давно запатентован, опубликован (www.chipnews.ru/html.cgi/arhiv/99_07/stat_29.htm) и демонстрирует превосходство перед традиционными технологиями по всем основным параметрам (дешевле, проще, тоньше, быстрее, экологичнее). Однако он до сих нигде не внедрен, кроме самого зеленоградского НИИ, который использует новую методику в производстве собственных приборов. Глядя на фотографии и характеристики пленочных плат, опубликованных на персональном сайте одного из разработчиков (www.samartsev.ru/nikboris/pcb), можно лишь удивляться, почему российские фирмы лицензируют за рубежом устаревшие технологии, а к новым отечественным не проявляют интереса (Вопрос, по большому счету, риторический. Поставьте себя на место потенциального заказчика и подумайте, что бы выбрали вы сами: эффективную, но не проверенную на реальных объемах технологию или чуть менее эффективный техпроцесс, доказавший свою надежность. — В.Г.)?



Мы связались с Николаем Самарцевым, и у нас состоялась небольшая беседа, часть которой предлагаем вниманию читателей.

Николай Борисович, если можно в двух словах — чем ваши пленочные платы лучше обычных?

— Если совсем коротко, то для них не нужен ряд процессов, обязательных при традиционном методе. Поэтому цена конечного результат ниже просто из-за меньших трудозатрат и объема расходных материалов. Кроме того, весь процесс идет быстрее и не требует ядовитых реагентов, а сама плата получается лучше, чем обычно. На ней возможны более тонкие проводники, переходы между слоями, несравнимо меньшая масса и толщина. Сами платы гибкие, что позволяет легко делать соединительные шлейфы, а если клеить готовые платы на металлическое основание, то получается еще и замечательное теплорассеивание.

Экономия материалов получается из-за того, что вместо привычного текстолита основой служат дешевые пленки?

— Не только, хотя и это тоже. Сейчас в Зеленограде (ВНИИРТ расположен в Москве. В Зеленограде тоже делают платы на полиимидной пленке, но с помощью травления — грязнее и ядовитее, чем на стеклотекстолите) платы делают на полиимидной пленке, а при массовом производстве возможен и лавсан (Полиэтилен тоже возможен (для ширпотреба), но гораздо важнее делать платы на фторопласте — для СВЧ-схем) и даже фторопласт. Сами понимаете, что это дешевле слоеной стеклоткани с эпоксидной пропиткой. Но главная экономия материалов достигается за счет меньшего количества медных отходов. На современных платах проводники покрывают примерно 30% поверхности — остальные 70% очищаются от меди, и в отходы ее попадает тем больше, чем толще был слой фольги. При толщине фольги 35 мкм (35 мкм — новый стандарт, уже давно (лет десять) используемый в массовом производстве — как раз, чтобы не травить лишнюю медь. А для схем, где нужна именно толщина, используют 50-, 75- и даже 105-микрометровую фольгу) в отходы идет почти полкилограмма меди с каждого квадратного метра. Добавьте сюда слой фоторезиста, которым наносят рисунок, растворители для его смыва и реагенты травления самой меди. Наша технология даже на традиционном оборудовании позволяет сократить потери более чем вдвое. На производстве же, созданном специально под наш метод, потери меди составят около шести грамм на квадратный метр, а жидких отходов не будет вообще.

Просто сказка какая-то… А за счет чего экономится время?

— Если очень упрощенно — мы придумали, как очень быстро соединять разводку на разных сторонах платы. По традиционной технологии для этого надо сверлить переходные отверстия, а затем металлизировать их. Процесс этот не менее сложен, чем создание самой разводки на поверхности и требует расхода химикатов с цветными металлами. С годами связей между слоями требуется все больше и больше — на современных платах они могут занимать уже до трети поверхности. На наших же платах переходы создаются в одно касание, автоматическим станком с высокой скоростью. Химическая или электрохимическая металлизация переходов не требуется вовсе. В общем, это и есть наше главное ноу-хау, защищенное патентами.

Станок для этого нужен какой-то специальный?

— Под нашу технологию может быть переделан практически любой станок для сверления плат. Даже подключенный к компьютеру и слегка доработанный графопостроитель можно использовать.

А более плотная разводка?..

— За счет позитивного фоторезиста. Он точнее негативного. Кстати, он еще и не ядовит. Еще один очень важный момент –диаметр переходных отверстий между слоями. Когда их делают сверлением и металлизацией, они не могут быть меньше определенного предела — 0,4 мм для массового производства. Хотя бы для надежной металлизации этого отверстия — чем отверстие тоньше, тем сложнее в него попасть раствору. У нас же переход имеет размер не более 0,1 мм и может выполняться прямо в дорожках — соединение просто уходит вглубь на другой слой платы.

И все это реализовано во ВНИИ радиотехники?

— К сожалению, не все. Для внедрения всех технологических процессов в массовое производство необходимо доработать существующее в институте оборудование, а на это нет средств. Хотя деньги не ахти какие. Но даже того, что есть, достаточно для отказа от старых технологий, хоть и делается все «на коленке».

В вашем институте сейчас делают рабочие платы, или просто экспериментальные, на которых удобно проверять идеи?

— Они не только рабочие, а проходят военную приемку и устанавливаются в радиолокационные системы ПВО. ВНИИРТ — один из крупнейших в России институтов по этой тематике.

А что вам говорят российские фирмы, которые производят платы? Вы ведь наверняка предлагали им свою технологию. Вы требовали от них больших отчислений за изобретение?

— Когда я еще занимался этим вопросом, а было это года три назад, мы с Хамаевым были готовы на самые выгодные для них условия. Все впустую. Компании были или слишком малы и еле сводили концы с концами, или размещали большие заказы за рубежом, или работали на дорогом зарубежном оборудовании, фактически являясь филиалами иностранных производителей. Мы обращались и к иностранцам — в этом аспекте показательна наша переписка с General Electric (США). Вот что они нам написали (почти дословный перевод): «Все самые передовые технологии рождаются только в недрах General Electric, но мы готовы взглянуть на вашу разработку. Пожалуйста, вышлите нам полный комплект документации и, если мы сочтем Вашу информацию полезной, мы вышлем Вам вознаграждение, которое, однако, не может превышать пяти тысяч долларов».

Чем вы сейчас занимаетесь?

— Делаю устройства уничтожения данных на магнитных носителях для одной коммерческой фирмы. На деструктивные технологии почему-то всегда есть спрос…  


Телефон редакции: (095) 232-2263
E-mail редакции: site@computerra.ru
По вопросам размещения рекламы обращаться к Алене Шагиной или Ирине Лашковой по телефону +7 (095) 232-2263 или электронной почте reclama@computerra.ru