Проектирование печатных плат для устройств СВЧ-диапазона.
Делаем все правильно с первого раза

№ 2’2021
PDF версия
Благодаря росту производительности процессоров и развитию технологий моделирования, в ходе проектирования печатных плат для устройств СВЧ-диапазона удается создавать модели все более близкие по характеристикам к их реальным прототипам. Однако по-прежнему существует множество подводных камней, которые не учитываются разработчиками и способны оказать негативное влияние на плату во время изготовления или работы устройства. В статье рассмотрены типичные ошибки, связанные с процессом проектирования, способы борьбы с ними, а также некоторые полезные приемы, позволяющие повысить качество создаваемой продукции.

На рис. 1 стилизованно показаны общие проблемы, возникающие при производстве печатной платы, которые способны повлиять на ее характеристики и которых можно было бы избежать при правильном проектировании. Данные проблемы более подробно будут рассмотрены в последующих разделах статьи.

Распространенные проблемы, возникающие при производстве печатных плат СВЧ-диапазона

Рис. 1. Распространенные проблемы, возникающие при производстве печатных плат СВЧ-диапазона

К основным проблемам относятся:

  • Смещение посадочных мест компонентов из-за применения материалов с недостаточной стабильностью размеров (изменение размера платы в процессе производства).
  • Подъем контактной площадки.
  • Отслаивание дорожек.
  • Смещение элементов при использовании термопластов.
  • Изгиб слоев платы из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения.
  • Невозможность создания глухих переходных отверстий.
  • Возникновение отводов (stub) в антенной цепи.
  • Использование печатных резисторов слишком маленькой площади, недостаточной для поддержания точных значений.
  • Плохое паяное соединение из-за охрупчивания золота.

Современные печатные платы (PCB) для СВЧ-устройств, как правило, состоят из нескольких спрессованных и склеенных между собой слоев диэлектрика и токопроводящего материала. Слои платы формируются из базового материала (base laminate) с медным фольгированным покрытием сверху и снизу. В процессе изготовления платы большую часть медного покрытия удаляют, оставляя только определенный рисунок, заданный разработчиком и состоящий из контактных площадок, дорожек и полигонов. Для соединения токопроводящих дорожек между слоями используются переходные металлизированные отверстия (PTH). Некоторые компоненты, такие как резисторы, могут быть встроены в стек слоев или созданы путем укладки резистивного материала, однако основной массив компонентов размещается на верхнем и нижнем слоях печатной платы, причем их соединение с платой выполняется при помощи пайки или проволочного монтажа. Состав и структура слоев платы может оказывать значительное воздействие на характеристики и работу СВЧ-устройств.

Для того чтобы разобраться, что именно может повлиять на характеристики платы, мы кратко проанализируем материалы, используемые в слоях, и рассмотрим основные проводимые на них операции (рис. 2).

Порядок обсуждения структуры платы

Рис. 2. Порядок обсуждения структуры платы

  1. Базовый материал. Структура базового материала слоя может оказывать существенное влияние на производительность при работе в СВЧ-диапазоне в зависимости от величины относительной диэлектрической проницаемости (Dk) и тангенса угла диэлектрических потерь (Df).
  2. Характеристики медного покрытия слоев платы.
  3. Препреги и материалы для склеивания слоев.
  4. Создание стека из нескольких слоев.
  5. Создание различных типов переходных отверстий.
  6. Встроенные резисторы.
  7. Финишное покрытие.

В статье рассматриваются основные аспекты, которые следует учитывать при проектировании печатных плат для ВЧ/СВЧ-устройств, принимая во внимание и технологические требования (design for manufacturing, DFM). Статья не является исчерпывающим руководством и предназначена лишь для общего ознакомления с существующими проблемами.

Одним из наиболее частых вопросов, задаваемых при разработке плат, является вопрос о том, на что следует обращать внимание в первую очередь для снижения затрат на производство. Ответ на этот вопрос не может быть однозначным, поскольку зависит от типа используемого материала, количества переходных отверстий, степеней допуска и так далее, однако ниже мы рассмотрим несколько наиболее действенных методов сокращения затрат.

 

Базовый материал

Материал диэлектрика печатной платы является одним из первых факторов, способных повлиять на производительность и стоимость конечного решения. На сегодня доступно множество различных материалов, но следует учесть, что для устройств РЧ-/СВЧ-диапазона определяющим свойством материала служат значения Dk и Df. Кроме того, толщина медного покрытия диэлектрика также может оказывать значительное влияние на характеристики платы. Минимизация толщины покрытия — это один из наиболее популярных методов снижения потерь в проводящих слоях. Далее приведен список характеристик, которые необходимо учитывать при выборе базового материала печатной платы:

  • стабильность размеров;
  • использование и тип металлической подложки: медь, латунь или алюминий;
  • значение коэффициента теплового расширения (КТР, CTE), особенно для многослойных плат;
  • температура стеклования (Tg) и температура или деструкции (Td);
  • тип и процентное содержание материалов в подложке.

Стабильность размеров является важным фактором, особенно когда дело касается габаритных плат. И хотя изменение размеров в процессе производства (как правило, усадка) может быть учтено при проектировании, высокая степень стабильности становится одним из ключей к выпуску качественной продукции, особенно если речь идет о крупных сериях. Наиболее стабильными показателями обладают армированные материалы, например, стеклоткань.

Так как же стабильность размеров может повлиять на работу устройства? Использование материалов с плохой стабильностью влечет за собой сдвиг посадочных мест компонентов от платы к плате, который к тому же не зависит от степени масштабирования. Например, фазированные антенные решетки могут достигать размеров 1,×1,2 м и, если представить такую решетку на плате (рис. 3), подверженную деформации (усадке) в процессе производства, станет очевидно, что излучающие элементы на ней будут сдвинуты относительно устанавливаемой металлической конструкции (от правильного размещения в точке А до значительного смещения в точке Б), что неизбежно повлечет за собой снижение характеристик антенны.

Накопление ошибок позиционирования элементов из-за низкой стабильности размеров материала печатной платы

Рис. 3. Накопление ошибок позиционирования элементов из-за низкой стабильности размеров материала печатной платы

Другая, но также довольно распространенная проблема, касающаяся размеров платы, — выбор разработчиками материала с высокой стабильностью, причем в данном случае действует указание жестких допусков для платы в надежде на то, что это дополнительно защитит ее от изменения габаритов в процессе производства. Хотя в некоторых случаях такие меры оправданы, зачастую такой подход лишь увеличивает стоимость изготовления и количество брака. Кроме того, моделирование с использованием более свободных допусков показывает, что многие элементы конструкции не так сильно подвержены изменению размеров, а ослабление допусков для них существенно облегчит процесс производства.

Использование плат с металлической подложкой — явление нередкое в СВЧ-оборудовании. Однако такие платы могут вызывать проблемы на производстве, связанные со сложностью обработки толстых слоев металла. В СВЧ-платах металлическая подложка, как правило, имеет толщину 6–8 мм, а сама конструкция может предусматривать как сквозные, так и глухие металлизированные отверстия.

Следующим важным фактором, способным оказать влияние на работу конечного устройства и на процесс производства, становится коэффициент теплового расширения. Несоответствие КТР материала предполагаемым условиям эксплуатации и производства может быть причиной деформации (изгиба) платы, а также появления натяжения в паяных соединениях, где КТР компонентов значительно отличается от общего КТР платы, что неизбежно снизит надежность устройства и может стать причиной возникновения сбоев в его работе. Одним из приемов, способных уменьшить проблемы, связанные с КТР, является использование одних и тех же материалов во всех слоях платы. В реальных проектах СВЧ-схемы часто идут бок о бок со схемами управления на основе цифровой электроники, и для экономии разработчики используют для последних более дешевые материалы, например FR4, что создает проблемы, связанные с КТР, если участки платы из разных материалов оказываются несимметричными, а распределение КТР недостаточно сбалансированным.

Еще один фактор, влияющий на процесс производства, — температура стеклования (Tg). Для материала FR4 Tg обычно составляет +120…+140 °C. В свою очередь, для высококачественных материалов, используемых для изготовления СВЧ-плат, Tg составляет +170 °C и выше. Для большинства СВЧ-решений требуются материалы с высоким значением Tg. от чего зависит и КТР, о котором мы говорили ранее: при росте Tg можно наблюдать ступенчатое изменение КТР, иногда в 3 или 4 раза. Если учесть, что для пайки с помощью бессвинцовых припоев необходима температура порядка +230 °C, увеличение КТР выше Tg может означать рост нагрузки на переходные отверстия, контактные площадки и другие составляющие платы, особенно по оси Z, что в результате может привести к подъему площадок после остывания. Пример подъема контактной площадки показан на рис. 4, где: (а) приведен смоделированный пример подъема площадки, (б) — фото поперечного сечения платы при подъеме площадки и (в) — увеличенная область платы с дефектом.

Пример подъема контактной площадки, который может произойти при термической нагрузке (плавление припоя при +288 °C в течение 10 с). Переходное отверстие на рисунке «а» заполнено припоем в результате испытания на плавучесть. Подъем площадки (увеличен на рисунке «в») происходит из-за того, что КТР подложки намного выше КТР медных стенок отверстия, а плата подвержена высокотемпературной нагрузке, при которой также может быть превышено Tg подложки

Рис. 4. Пример подъема контактной площадки, который может произойти при термической нагрузке (плавление припоя при +288 °C в течение 10 с). Переходное отверстие на рисунке «а» заполнено припоем в результате испытания на плавучесть. Подъем площадки (увеличен на рисунке «в») происходит из-за того, что КТР подложки намного выше КТР медных стенок отверстия, а плата подвержена высокотемпературной нагрузке, при которой также может быть превышено Tg подложки

Последним фактором, касающимся базового материала, является относительная диэлектрическая проницаемость Dk. Материалы с более высокой Dk обычно имеют высокое содержание примесей, которые могут стать своего рода абразивом для сверл и фрез. Хотя это никак не влияет на характеристики платы, данный параметр может увеличить затраты на производство, связанные с необходимостью использования большего количества сверл и фрез.

 

Медное покрытие

Покрытие диэлектрика проводящим слоем медной фольги может быть выполнено различными методами, самым распространенным из них является электроосаждение (Electro Deposited). Используемый метод нанесения в конечном итоге оказывает влияние на высокочастотные характеристики схемы. Ниже приведены основные способы нанесения медной фольги и соответствующие им значения шероховатости покрытия:

  • Электроосаждение (Electro Deposited, ED), среднеквадратичное значение шероховатости 1,5 мкм, но может достигать значения 3,0 мкм.
  • Фольга с обработанной обратной стороной (Reverse Treated, RT), среднеквадратичное значение шероховатости 0,7 мкм.
  • Катаная фольга (Rolled Annealed RA), среднеквадратичное значение шероховатости 0,3 мкм.

Но как же значение шероховатости повлияет на характеристики схемы? Вот несколько примеров:

  • При сравнении двух плат из материала RO3003 толщиной 0,02 дюйма с медным покрытием 0,5 унции, нанесенным RA-методом и таким же покрытием, нанесенным ED-методом при частоте 25 ГГц, потери мощности составят на 0,1 дБ/дюйм больше для ED-платы, чем для RA.
  • Другой пример: использование RO3003 толщиной 0,005 дюйма, остальные характеристики остаются те же (0,5 унции меди, частота 25 ГГц). В данном случае потери для платы с ED-методом нанесения составляют уже на 0,35 дБ/дюйм больше, чем для аналогичной с RA-покрытием.

Таким образом, использование технологии нанесения с большей шероховатостью влечет за собой увеличение потерь мощности передачи. Данные потери будут увеличиваться с ростом частоты и/или с уменьшением толщины подложки. Этот фактор особенно значим для габаритных плат с продолжительной длиной дорожек. Однако, когда речь заходит о производстве, здесь, как и в случае со многими другими аспектами, находится место выражению «палка о двух концах»:

  • Во‑первых, нанесение медной фольги с меньшой шероховатостью требует проведения большего количества итераций при производстве, так как последующие слои платы становится сложнее склеивать между собой, что в свою очередь увеличивает стоимость (рис. 5).
  • Во‑вторых, меньшая шероховатость снижает сопротивление дорожек на отслаивание, что повысит вероятность образования брака и усложнит переработку или сделает ее невозможной. Пример тому — несовместимость некоторых материалов, таких как Rogers 4000, с покрытием, нанесенным методом Rolled Annealed.
Пример отслаивания дорожки платы. Риск отслаивания повышается при использовании фольги с меньшей шероховатостью

Рис. 5. Пример отслаивания дорожки платы. Риск отслаивания повышается при использовании фольги с меньшей шероховатостью

 

Препреги и материалы для склеивания

Существует множество вариантов препрегов (pre-preg представляет собой ткань из стекловолокна, пропитанную смолой в стадии B (смола в промежуточной стадии реакции полимеризации, размягченная, но не расплавленная). При нагреве под давлением предпрег плавится и связывает слои вместе, образуя ламинат после затвердевания.) и материалов для склеивания слоев печатной платы. Для создания оптимального решения с точки зрения процесса производства и электрических свойств, при выборе материала разработчику необходимо ответить на следующие вопросы:

  • Терморектопласт (термореактивный пластик) или термопласт?
  • Температура склеивания. Выдержат ли компоненты платы, такие как ламинаты, паста для заполнения отверстий, интегрированные компоненты, припой, серебросодержащая смола и т. д., температуру склеивания?
  • Выдержит ли клеевой материал последующие этапы сборки? Будет ли плата ориентирована на поверхностный или навесной монтаж?
  • Нанесение клеящего материала происходит в несколько этапов? Если это так, термореактивные препреги, как правило, облегчают процесс производства. Использование термопласта тоже может быть неплохим вариантом в тех случаях, когда применяются связующие материалы с разной температурой плавления, а материал с самой низкой температурой наносится в последнюю очередь.
  • Есть ли необходимость заполнения переходных отверстий? При последовательной склейке слоев часто возникает потребность заполнить сквозные переходные отверстия. В зависимости от количества и размера отверстий и используемого препрега одним из вариантов является заполнение их потоком смолы из препрега, возникающей во время склеивания. Однако если объем отверстия слишком велик, для заполнения необходимо дополнительно использовать специальную пасту.
  • Если на плате присутствуют вырезы, которые не должны быть заполнены смолой во время склеивания, следует использовать препреги с низкой степенью текучести или вовсе ей не подверженные.

После нагрева термореактивные материалы становятся не подверженными плавлению, в то же время при нагреве термопласты размягчаются, и слои, построенные на их основе, могут иметь тенденцию к сдвигу или даже развалу, если во время производства будет превышена установленная температура. Перегрев термопласта не так страшен, если выполняется последовательная склейка слоев: сначала склеиваются слои из термопластов с высокой температурой плавления, затем с низкой — это позволит избежать повторного плавления уже склеенных слоев. Ярким примером неконтролируемого перегрева является смещение приходного отверстия на словах платы, как это показано на рис. 6.

Пример смещения переходного отверстия на верхнем слое платы из-за плавления термопласта

Рис. 6. Пример смещения переходного отверстия на верхнем слое платы из-за плавления термопласта

 

Создание стека из нескольких слоев

Ниже приведены базовые правила, следование которым позволит избежать проблем при создании палат, чей стек состоит из нескольких слоев:

  • Использовать один и тот же материал для слоев и препрега, что позволит минимизировать риски возникновения проблем при склеивании.
  • Если необходимо использовать разные материалы, рекомендуется сохранять симметричность наращивания ламинатов и препрега.
  • Если ни один из вышеперечисленных вариантов невозможен и существует значительная разница между структурой материалов, рекомендуется применить соотношение 1: > 2,5, это позволит сделать один материал доминирующим и минимизировать влияние разнящихся значений КТР.

Когда печатная плата строится из нескольких субплат, то есть во время производства проходит несколько этапов соединения, важным аспектом становится их симметричность и соответствие размеров. Отсутствие симметрии может вызвать серьезные проблемы при формировании конечного стека. Несоответствие КТР используемых в субплатах материалов способно вызвать ее изгиб и нарушение симметрии, после чего дальнейшая обработка значительно усложняется или становится вовсе невозможной (рис. 7).

Изгиб слоя печатной платы

Рис. 7. Изгиб слоя печатной платы

Пример сильного изгиба слоев субплаты из-за несоответствия КТР материалов показан на рис. 8. На рисунке изображена субплата после удаления из пресса: как только давление на плату ослабло, два изогнутых слоя свернулись подобно свиткам (а). Развертывание слоев и проведение анализа (б) подтворило то факт, что деформация была вызвана несоответствием КТР.

Пример сильного изгиба слоев субплаты из-за несоответствия КТР материалов

Рис. 8. Пример сильного изгиба слоев субплаты из-за несоответствия КТР материалов

 

Переходные отверстия

Соединение проводящих слоев платы происходит при помощи переходных отверстий. В зависимости от сложности и типа платы переходные отверстия могут быть различной глубины и иметь сквозную или глухую конструкцию. На рис. 9а приведен пример реальной платы с несколькими переходными отверстиями. На рис. 9б изображен концепт платы, на котором показаны варианты переходных отверстий с различной степенью углубления (B1–B4). Порядок и технология изготовления отверстий является одним из важных факторов, влияющих на процесс производства и впоследствии на работоспособность платы.

  • Переходное отвертите L1–L4 просверлено на субплате платы (B3) с металлическим основанием и заполнено токопроводящей пастой (при заполнении отверстия токопроводящей пастой (plug paste) минимальная толщина подложки должна составлять 0,254 мм и быть укреплена стеклотканью во избежание появления проблем с стабильностью размеров при производстве).
  • Отверстие L12–L13 просверлено лазером и заполнено медью (B1).
  • Отверстие L11–L15 просверлено на субплате платы (B2) с металлическим основанием и заполнено токопроводящей пастой.
  • Отверстие L1–L10 изначально было просверлено через всю плату, затем его часть (L10–L15, B4) была удалена обратным высверливанием (back drill).
  • L1–L12 аналогично L1–L10 просверлено через всю плату, затем его часть (L10–L15, B4) была удалена обратным высверливанием.
  • Отверстие L1–L15 (B4) просверлено через всю плату.
Пример реальной платы с переходными отверстиями

Рис. 9.
а) Пример реальной платы с переходными отверстиями,
б) концепт платы с переходными отверстиями различной степени углубления

Использование субплат позволяет просверливать сквозные отверстия перед окончательной сборкой, сводя к минимуму необходимость в глухих переходных отверстиях.

Вне зависимости от используемой технологии при создании отверстия необходимо учитывать соотношение его глубины к диаметру. Глухие переходные отверстия должны иметь максимальное отношение 1:1, а сквозные отверстия — не более 12:1. Соблюдение данного соотношения может быть далеко нетривиальной задачей, особенно при малых габаритах платы, что главным образом связано с попаданием в отверстие текучих/расплавленных материалов и растворов, используемых в процессе производства, что нарушает его равномерность.

Хотя использование сквозных переходных отверстий является более предпочтительным и простым для производства вариантом, в некоторых случаях невозможно обойтись без глухих отверстий. Компромиссом становится выполнение глухих отверстий сначала в виде сквозных, а затем использование технологии обратного высверливания. Однако при применении данной технологии важно обеспечить достаточную точность сверления, так как слишком большое углубление прорежет контактную площадку, нарушив предполагаемое электрическое соединение; при недостаточной же глубине сверления площадки остаются нетронутыми, но появляется риск возникновения лишнего проводника, выполняющего роль отвода в антенной цепи, что повлияет на электрические характеристики устройства (рис. 10). Оптимальным является оставление отвода перед целевым слоем платы толщиной 100 мкм ±25 мкм. Дополнительно рекомендуется перед началом обратного высверливания заполнить сквозное отверстие пастой с последующим ее затвердением. Эта особенно актуально в тех случаях, когда используются подложки на основе ПТФЭ.

Недостаточная глубина высверливания, оставляющая отвод в антенной цепи

Рис. 10. Недостаточная глубина высверливания, оставляющая отвод в антенной цепи

Следует также учесть, что в некоторых случаях использование глухих переходных отверстий и обратного высверливания может быть попросту невозможным. На рис. 11 показаны примеры таких случаев: (а) — дорожки на верхнем слое ограничивают возможности обратного высверливания для создания глухого переходного отверстия нужной глубины; (б) — показывает невозможность создания переходного отверстия между двумя субплатами, так как в данном случае возникнет перекрытие проводящих слоев.

Случаи, когда использование глухих переходных отверстий невозможно

Рис. 11. Случаи, когда использование глухих переходных отверстий невозможно

 

Встроенные резисторы

Использование компонентов, интегрированных во внутренние слои платы, например, печатных резисторов, становится все более частым явлением. Типичный пример — формирование из таких резисторов делителя Уилкинсона в системе с фазированной решеткой, где деление мощности будет выполняться между двумя слоями платы. Встраивание резисторов происходит с помощью нанесения резистивного материала на слой платы, такие резисторы позволяют уменьшить ее габариты и особенно актуальны в системах с большим количеством компонентов. Однако данные резисторы не панацея, и окончательно избавиться от более традиционных чип-резисторов не удастся. В частности, использование печатных резисторов становится невозможным, если его мощность рассеивания будет превышать 200 мВт или его номинал должен иметь минимальную погрешность.

Компания Teledyne Labtech предлагает своим клиентам следующие варианты исполнения резисторов:

  • Дискретные чип-резисторы, которые крепятся к плате при помощи пайки.
  • Дискретные чип-резисторы, которые крепятся к плате при помощи токопроводящего клея (эпоксидная смола с вкраплениями серебра).
  • Печатные резисторы, изготовленные по технологиям Ohmega-Ply или Ticer и встроенные в слои платы.
  • Дискретные печатные резисторы, изготовленные по технологиям Ohmega-Ply или Ticer.

Если используются дискретные компоненты, крепление которых на печатную плату подразумевает применение припоя, важно, чтобы его температура плавления была более чем на 40 °C выше температуры соединения препрега и диэлектрика слоев платы. Применение дискретных чип-резисторов становится неизбежным, если необходим допуск величины сопротивления менее ±10% от номинального значения и/или рассеиваемая мощность > 0,2 Вт. При использовании печатных резисторов рассеиваемая мощность определяется площадью резистивной поверхности и, например, для поверхности с сопротивлением 50 Ом на квадрат (square), изготовленной по технологии Ohmega-Ply, соотношение мощности к площади (источник: Ohmega Technologies. Inc.) (A к мм2) составляет мВт = 173×A0,35. Применение технологий Ohmega-Ply или Ticer и материала сопротивлением 50 Ом на квадрат позволяет достигать допусков вплоть до ±10% от номинала. С финансовой точки зрения использование таких резисторов дает явное преимущество, особенно когда в схеме присутствует множество компонентов (рис. 12). Для достижения оптимальных значений погрешности величины сопротивления следует избегать элементов с площадью менее 0,2×0,2 мм при сопротивлении 50 Ом на квадрат. Интересным вариантом также представляется использование дискретных печатных резисторов, выполненных по технологии Ohmega-Ply или Ticer: такие резисторы позволяют свести к минимуму потери при работе на высоких частотах, поскольку исключают наличие резистивного слоя под проводниками, по которым проходят радиосигналы. На рис. 13 показан пример интеграции дискретного чип-резистора (а) и печатного встроенного резистора, изготовленного по технологии Ohmega-Ply (б).

Дискретный чип-резистор (слева) и печатный резистор с малой площадью сопротивления (справа)

Рис. 12. Дискретный чип-резистор (слева) и печатный резистор с малой площадью сопротивления (справа)

Пример встроенного чип-резистора

Рис. 13.
а) Пример встроенного чип-резистора;
б) печатного резистора Ohmega-Ply

 

Финишные покрытия

Финишное покрытие проводников печатной платы — важный аспект при производстве устройств СВЧ-диапазона и способно напрямую влиять на их характеристики. Тип покрытия зависит от того, какие сигнальные дорожки находятся на внешних поверхностях печатных плат. Платы, реализующие полосковую линию передачи, имеют на поверхности только небольшие контактные площадки, и для их покрытия допустимо использование иммерсионного золочения (ENiG, Electroless Nickel Immersion Gold). Однако в тех случаях, когда на поверхности располагаются проводящие дорожки, считается, что покрытие ENiG имеет слишком большие потери, особенно если длина дорожки превышает несколько миллиметров. Потери из-за ENiG возрастают с увеличением частоты и уменьшением толщины подложки. При использовании ENiG не следует наносить на дорожки паяльную маску, так как это приведет к еще большему увеличению потерь.

Большинство покрытий, наносимых гальваническим методом, обладают меньшей проводимостью, чем медь, поэтому увеличивают потери в проводнике. Исключением становится разве что иммерсионное серебро — оно не оказывает отрицательного воздействия на производительность, но требует осторожного обращения, а его переработка является затратным процессом.

Иммерсионное золочение по подслою никеля и палладия (ENEPIG) позволяет достигнуть меньших потерь по сравнению с ENiG и рекомендуется для применения в устройствах Ka- и более высоких диапазонов, особенно если компоненты на печатную плату данного устройства будут устанавливаться при помощи SMT- или проволочного монтажа.

Во всех трех случаях ENiG, иммерсионное серебро и ENEPiG представляют собой процессы химического осаждения металла посредством контролируемой окислительно-восстановительной реакции, при которой осаждаемый металл покрывает все поверхности открытых проводников, включая края дорожек, что обеспечивает равномерную толщину. Если говорить о стоимости, то самым дешевым в данном случае является иммерсионное серебро, а наиболее дорогим — ENEPiG, главным образом за счет содержания палладия.

Равномерное покрытие золотом чаще всего применяют при проволочном монтаже, толщина покрытия в данном случае составляет 3–5 мкм и наносится поверх слоя никеля толщиной 1–3 мкм. Если помимо проволочного монтажа используется пайка, золото наносится выборочно на участки соединения проволоки и имеет на данных участках толщину 3–5 мкм, на остальной поверхности толщина составляет менее 1 мкм, что позволяет избежать проблем, связанных с охрупчиванием золота в паяных соединениях (рис. 14). Как правило, такой тип покрытия необходимо наносить до начала процесса вытравливания дорожек, поскольку гальванический процесс требует, чтобы на краях дорожек была обнаженная медь. На рис. 15 показано поперечное сечение платы с золотым покрытием, нанесенным поверх прослойки никеля, который в свою очередь нанесен на медную дорожку платы, чья подложка имеет высокую Dk. Такое финишное покрытие имеет более высокую стоимость, чем простой электролиз или иммерсионное золочение ENiG.

Паяное соединение на слишком толстом слое золота может привести к охрупчиванию

Рис. 14. Паяное соединение на слишком толстом слое золота может привести к охрупчиванию

Поперечное сечение платы с золотым покрытием, нанесенным на прослойку никеля, который нанесен на медную дорожку платы, подложка которой имеет высокую Dk. Структура подложки имеет типичные для материалов с высоким Dk вкрапления оксида алюминия, которые позволяют повысить общую диэлектрическую проницаемость

Рис. 15. Поперечное сечение платы с золотым покрытием, нанесенным на прослойку никеля, который нанесен на медную дорожку платы, подложка которой имеет высокую Dk. Структура подложки имеет типичные для материалов с высоким Dk вкрапления оксида алюминия, которые позволяют повысить общую диэлектрическую проницаемость

В тех местах, где планируется установка торцевых (краевых) разъемов или пружинных контактов, золото может быть дополнительно покрыто никелем, что позволит обеспечить более прочную поверхность.

 

Заключение

Во время проектирования плат для устройств СВЧ-диапазона разработчиков поджидает множество ловушек, основные из которых были рассмотрены в данной статье. Хотя за последнее время средства проектирования и разработки плат существенно улучшились, они все еще не учитывают все проблемы, которые могут возникнуть в процессе реального производства. В статье был рассмотрен каждый этап такого производства, начиная от выбора материала базового слоя и заканчивая финишным покрытием. Многие аспекты, способные повлиять на характеристики платы, ее стоимость и/или надежность, связаны с выбором материалов и их реакцией на физическую или химическую обработку. При поиске решения проблем, возникающих при производстве, часто отсутствуют однозначные правильные или неправильные ответы и выход из ситуации достигается компромиссом, оптимальное значение которого может быть достигнуто при тесном сотрудничестве разработчика и производителя плат.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.