Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №3

ТРИЗ в электронике. Вокруг печатных плат

Уразаев Владимир


Если слово «электроника» понимать в широком смысле, то в сферу ее интересов, несомненно, попадают печатные платы — основной конструктивный элемент современной радиоэлектронной аппаратуры. В общем случае печатная плата — это пластина из электроизоляционного материала, на поверхности которой нанесены тонкие электропроводящие полоски (проводники) с контактными площадками для подсоединения навесных радиоэлементов [1].

Первенство в разработке печатных плат при писывают немецкому инженеру Альберту Паркеру Хансону [2]. Хансон предложил фор мировать рисунок печатной платы на медной фоль ге вырезанием или штамповкой. Далее элементы про водящего рисунка приклеивались к диэлектрику, на пример к пропарафиненной бумаге. С тех пор прошло больше ста лет. Все эти годы технологии изготовле ния печатных плат совершенствовались. В этом бла городном деле приняло участие великое множество людей, в том числе знаменитый изобретатель Томас Эдисон и... гораздо менее знаменитый изобрета тель — автор настоящей статьи.

С пафосом о ПАФОСе

У специалистов, имеющих отношение к производ ству печатных плат, сочетание «ИТМ и ВТ» и «Галец кий» вызывает глубокое уважение. Для института точной механики и вычислительной техники, бреж невские времена, в отличие от многих других науч ных учреждений, не были годами застоя. А отделе ние этого института, возглавляемое Ф. П. Галецким, диктовало моду в области технологии изготовления печатных плат в «стране, которой уже нет». Не поте рялось оно и в «стране, которая есть».

Супер-ЭВМ, разработкой которых занимался ин ститут, потребовали создания суперсложных много слойных печатных плат. Для реализации таких пе чатных плат и была разработана технология, назван ная ПАФОС (полностью аддитивное формирование отдельных слоев).

От субтрактивных методов, основанных на трав лении фольги, этот метод отличается тем, что токо проводящий рисунок наносят [3]. Проводящий ри сунок слоев формируется на временных носителях— листах из нержавеющей стали, поверхность которых покрывается гальванически осажденной медной ши ной толщиной 2–5 мкм.

На этих листах формируется защитный рельеф пленочного фоторезиста. Проводники получают гальваническим осаждением тонкого слоя никеля (2–3 мкм) и меди (30–50 мкм) во вскрытые в фото резисте рельефы. Затем пленочный фоторезист уда ляется, и проводящий рисунок на всю толщину впрессовывается в диэлектрик.

Прессованный слой вместе с медной шиной меха нически отделяется от поверхности временных но сителей. В слоях без межслойных переходов медная шина стравливается. При изготовлении двухсторон них слоев с межслойными переходами перед травле нием медной шины создаются межслойные перехо ды посредством металлизации отверстий с контакт ными площадками.

Чем же хорош этот метод? Дело в том, что прово дящий рисунок, утопленный в диэлектрик и защи щенный сверху слоем никеля, при удалении медной шины не подвергается травлению. Поэтому форма, размеры и точность проводящего рисунка опреде ляются рисунком рельефа, то есть процессами фо толитографии. А современные достижения в облас ти фотолитографии и лазерного экспонирования позволяют совершить качественный скачок на пути повышения плотности печатного монтажа. Еще на ру беже восьмидесятых и девяностых годов прошлого ве ка в ИТМ и ВТ научились делать двадцатислойные пе чатные платы размером полметра на полметра с ши риной проводников и зазоров между ними 100 мкм!

Наш ответ Чемберлену

Судя по публикации [4], технология ПАФОС поз воляет реализовать печатные платы сшириной про водников и зазорами между ними до 40–50 мкм. Но нет в мире совершенства! По законам теории ре шения изобретательских задач (ТРИЗ) улучшение одной характеристики технической системы неиз бежно приводит к ухудшению какой-то другой ее ха рактеристики. Так оно и получилось.

Суперсложные и супербольшие многослойные печатные платы не соответствуют техническим тре бованиям по влагостойкости. Более того, при изме нении относительной влажности воздуха от 45 до 80% (нормальные условия) сопротивление изоляции изменяется на 3-4 порядка [5]. Образ но говоря, такие печатные платы «дышат». Уменьшение зазоров между проводниками привело к тому, что уровень диэлектричес ких характеристик стеклотекстолита стал яв но недостаточным.

Прошли годы. Изменилась элементная база, изменилась архитектура супер-ЭВМ. Исполь зование таких громадных печатных плат ста ло «признаком плохого тона». А проблема, увы, осталась. Колокольчик зазвонил вновь, но уже не в России, а за ее пределами. Диэлек трические характеристики стеклотекстолита стали лимитировать дальнейшую микроми ниатюризацию печатных плат. И традицион ными методами решить эту задачу нашим «потенциальным друзьям» пока не удается [6].

Как же быть? Прекрасная задача для доказа тельства дееспособности ТРИЗ. Можно даже сказать, что это «вопрос на засыпку». Экзамен был сдан — и не кое-как, а на «отлично»!

Дефекты структуры стеклотекстолита, по словам некоторых специалистов, позво ляют сравнить его с промокашкой. Чем боль ше воды в этой промокашке, тем хуже ди электрические свойства. Для повышения вла гостойкости печатных плат их покрывают после монтажа радиоэлементов лаком. При нанесении лаковых покрытий дефекты структуры стеклотекстолита частично устра няются (заполняются) полимером. Как по высить эффективность?

Сформулируем техническое противоречие задачи (ТП).

ТП 1. Если лак сильно разбавлен, из-за низ кой вязкости он глубоко проникает в капил лярно-пористую структуру стеклотекстолита, но из-за небольшого содержания полимерно го связующего коэффициент заполнения ка пилляров невелик.

ТП 2. Если лак содержит много полимерно го связующего, то коэффициент заполнения ка пилляров увеличивается, но из-за высокой вяз кости глубина его проникновения невелика.

Сформулируем физическое противоречие задачи (ФП).

ФП 1. Лак должен содержать много поли мерного связующего, чтобы был выше коэф фициент заполнения капилляров, и должен содержать мало полимерного связующего, что бы глубоко проникать в капилляры.

Это противоречие легко разрешается с ис пользованием стандартного приема разреше ния физических противоречий «разделение противоречивых требований во времени». Для нанесения первого слоя лака следует ис пользовать сильно разбавленный лак, а при нанесении последующих слоев — лак с боль шим содержанием связующего. К сожалению, на практике это решение оказалось недоста точно эффективным.

При формулировке технического противо речия, чтобы «обмануть» психологическую инерцию человека, ТРИЗ рекомендует ухо дить от конкретных названий. Если слово «лак» заменить более широким понятием «жидкость», ФП можно сформулировать сле дующим образом.

ФП 2. Полимерное связующее в жидкости должно быть, чтобы обеспечить заполнение капилляров, и полимерного связующего в жид кости не должно быть, чтобы она обладала мак симальной проникающей способностью.

Или:

ФП 3. Частицы полимера в жидкости долж ны быть большими, чтобы..., и должны быть маленькими, чтобы...

Или:

ФП 4. Частицы полимера в жидкости долж ны быть, чтобы..., и не должны быть, чтобы...

Для разрешения этих противоречий вновь можно использовать прием «разделить про тиворечивые требования во времени». Части цы полимера в жидкости должны быть на фи нише процесса, и частиц полимера не должно быть на его старте.

Конкретное техническое решение можно най ти вшкольном учебнике по химии — реакция полимеризации. Молекулы мономеров соизме римы по величине с молекулами воды. Моле кулярная масса полимеров измеряется сотнями тысяч и даже миллионами у. е. (не подумайте о долларах). И самое главное, полимеризация идет практически без изменения объема!

Специалисты (на то они и специалисты) умерят наш восторг и скажут: «Нет, не пой дет. Полимеризация обычно происходит при температуре выше 60 °С (стандартной для сушки лаковых покрытий)». Можно, опустив руки, на этом остановиться. А можно, и даже нужно продолжить решение.

Сформулируем техническое противоречие следующей задачи.

ТП 1. Если мономер наносится на печатную плату с радиоэлементами, то капиллярная по ристость эффективно заполняется, но из-за по вышенной температуры полимеризации «по гибают» термочувствительные радиоэлементы.

ТП 2. Если мономер наносится на печатную плату до монтажа радиоэлементов, то термо чувствительные радиоэлементы сохраняют работоспособность, но при этом мономер по лимеризуется и на поверхности печатной пла ты, ухудшая качество пайки.

От ТП 2 переходим к формулировке физи ческого противоречия.

ФП. Мономер должен полимеризоваться, чтобы обеспечить заполнение капилляров в подложке, и не должен полимеризоваться, чтобы гарантировать качество последующей пайки радиоэлементов.

На этот раз ТРИЗ предлагает использовать другой прием разрешения физических про тиворечий — «разделить противоречивые тре бования в пространстве». Мономер должен полимеризоваться в объеме (в капиллярах) и не должен полимеризоваться вне объема (на поверхности). Для нахождения конкрет ного решения следует заглянуть уже в вузов ский учебник по химии полимеров. Оказыва ется, мономерные композиции с такими свой ствами существуют.

Итак, поставленная задача решена. Но, как это бывает в реальной жизни, на пути от прин ципиального решения до работающей техно логии пришлось сформулировать и решить еще немало изобретательских задач. И очень удачным оказалось то, что ТРИЗ-специалист и просто специалист в данном случае объеди нились в одном лице. Технология, названная полимеризационным наполнением, оказалась способной повышать уровень сопротивления изоляции стеклотекстолита в печатных пла тах не в сотни, тысячи и более раз, со всеми вытекающими из этого последствиями.

Вот вам и изобретение, сделанное при по мощи ТРИЗ. И это не какое-то несуществен ное усовершенствование (бантик на фраке), а, по словам специалистов, прорыв в облас ти технологии изготовления и влагозащиты печатных плат. В максимальном объеме ин формацию о технологии полимеризацион ного наполнения можно получить на сайте автора [7].

Ориентир — идеальность

Некоторые приемы разрешения техничес ких противоречий в ТРИЗ переросли в зако ны развития технических систем. Так, из при ема «самообслуживание» появился закон по вышения идеальности технических систем. Повышение идеальности есть увеличение со отношения

где Фп — полезная функция, Фр — функция расплаты.

Повышение идеальности возможно в резуль тате увеличения числителя или уменьшения знаменателя этого соотношения. Для идеаль ной машины Фр = 0 (машины нет, а функция выполняется). Для реальной машины функ ция расплаты должна стремиться к нулю.

Закону повышения идеальности техничес ких систем подчиняются новые веяния в тех нологии прессования многослойных печат ных плат. Наблюдается постепенный переход на прессование... без прессформ. Идеальность достигается сочетанием двух технических ре шений:

  • Система совмещения слоев с бандажированием пакета [8].
  • Нагрев заготовок многослойных печатных плат за счет пропускания большого тока (до 2000 А) через фольгу внешних слоев. Фирмой Cedal разработан пресс, в котором используется такой способ [9].

Пресс-формы нет, а ее функции выполня ются! Идеальный конечный результат (ИКР) в данном случае достигается в результате ис пользования внутренних ресурсов системы.

Закону повышения идеальности технических систем отвечает и интегрирование печатных плат с элементной базой. Некоторые радиоэле менты (емкости, индуктивности) изготавлива ются уже непосредственно в печатной плате.

Когда-то мой коллега по институту сделал неплохой бизнес на паяльных флюсах. В осно ве работы традиционных паяльных флюсов, используемых для пайки радиоэлементов, лежит реакция (1):

MenOm + 2mH+ = nMen+ + mH20 (1)

Техническим обоснованием бизнес-идеи бы ло заимствование флюса из иной области (сварки металлов). Принцип действия этого флюса был основан на том, что окисная плен ка не растворялась, а восстанавливалась до ме талла по реакции (2):

MenOm + 2mH = nMe + mH20 (2)

В качестве восстановителя в этом флюсе ис пользовался атомарный водород, обладающий сильнейшими восстановительными свойства ми. Источником же атомарного водорода был гипофосфит. Идеальность этого решения за ключалась в том, что гипофосфит был отхо дом производства многотоннажного продук та. К сожалению, через некоторое время про изводство этого продукта прекратили, отходов не стало, и бизнес пришлось свернуть...

Былое и думы

Говорят, что новое — это хорошо забытое старое. С этим трудно не согласиться.

Так, в методе ПАФОС возродилась старин ная технология изготовления печатных плат методом переноса [10]. Когда-то в этой тех нологии использовалась трафаретная печать. Открытия в области лазерной техники и фото литографии позволили реализовать ее на прин ципиально новом уровне.

Применение SMD-компонентов позволило уменьшить толщину печатных узлов и тем са мым уменьшить габариты изделий электрон ной техники. На этом фоне в прямом и пере носном смысле выделялись трансформаторы и дроссели. В соответствии с еще одним зако ном ТРИЗ (согласования — рассогласования технических систем) изобретатели «постуча ли по приподнятым шляпкам гвоздей». В ре зультате появились планарные трансформа торы, в которых многослойные печатные пла ты заменили проволочные обмотки. В работе [11] говорится о том, что такие трансформа торы впервые были разработаны в конце 80-х годов. Заблуждаются! Еще в 1933 году Эрвин Е. Франц (США) предложил использовать для изготовления трансформаторов проводящие слои, изготовленные на целлофане, которые складывались гармошкой в пакет и пронизы вались магнитопроводом [2].

Обычно ТРИЗ дает решение изобретатель ской задачи в общем виде. Говорят, что при этом задача решена на 99%. Для конкретного реше ния задачи следует знать физические, химиче ские, геометрические и иные эффекты (инфор мационный фонд). Бывает и так, что на данный момент замкнуть решение задачи не удается. Ну не открыли еще такого эффекта!

Откроют. За вашей спиной законы развития технических систем! Гораздо обиднее будет, ес ли искомый эффект уже открыт, а вы об этом просто не знаете. Невозможно перелопатить все источники информации. Да и память свою следует пожалеть. Здесь вам помогут указате ли физических, геометрических, химических, биологических эффектов, наработанные энту зиастами от ТРИЗ. Различные версии таких указателей можно найти в Интернете.

Литература

  • Политехнический словарь / Редкол.: А. Ю. Ишлинский и др. — 3 изд. М.: Сов. энциклопедия. 1989.
  • Из истории технологий печатных плат //Электроника-НТБ. 2004, № 5.
  • http://www.pcbfab.ru/article.php?id=21
  • Галецкий Ф. П. Этапы развития печатных плат в ИТМ и ВТ им. С. А. Лебедева // Экономика и производство. 2001. № 1.
  • Галецкий Ф. П. Технология изготовления двадцатислойных печатных плат с проводниками 100 мкм // Экономика и производство. 2000. № 12.
  • http://www.ats.net/deutsch/technologie/ technologieplatform.html
  • http://www.urazaev.narod.ru
  • Медведев А. М. Оборудование для производства печатных плат. По стендам «ЭкспоЭлектроники 2002» // Электронные компоненты. 2002. № 3.
  • Печатный монтаж — задача государственная // Электроника-НТБ. 2004. № 2.
  • Белевцев А. Т. и др. Печатные схемы в приборостроении, вычислительной технике и автоматике. М., Машиностроение. 1972.
  • Макаров В., Рушихин А. Применение планарных трансформаторов и плат на алюминиевой подложке в импульсных источниках электропитания // Компоненты и технологии: Силовая электроника. 2004. № 1.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке