TEHNOLOGIA CABLAJELOR IMPRIMATE

1. TEHNOLOGIA CABLAJELOR IMPRIMATE

2. De al începuturile electronicii, dezavantajele cablajelor cu fire au determinat încercări de realizare a conexiunilor într-o singură etapă, prin procedee mai bune. Incă din 1906, T.A. Edison propune realizarea conductoarelor sub formă de benzi metalice, obţinute prin depuneri de pulberi pe suport izolant urmate de ardere. Prin 1930, la firma Hesho Werken (Hermsdorf, Germania), se realizau conexiuni prin depuneri de săruri de argint pe plăcuţe ceramice; prin ardere se obţieau conductoare peliculare din argint, foarte aderente la suport. Din această peri-oadă datează denumirea de conductor imprimat. Toate procedeele inventate până prin 1940 s-au dovedit inaplicabile în practică.

3. Tehnica cablajelor imprimate se dezvoltă după ce în 1943, Eisler, în Anglia, brevetea-ză primul procedeu de fabricare a cablajelor imprimate aplicabil în practică, prin corodarea chimică a unei folii de cupru lipită pe suport izolant. Invenţiile lui Eisler stau la baza majorităţii tehnologiilor actuale de fabricaţie a cablajelor imprimate. Destul de curios, ideile lui Eisler au cunoscul o mare răspândire abia după 1952 – 1953, dar în prezent probabil că nu există echipamente electronice care să nu folosească cablaje imprimate.

4. Prin cablaj imprimat se înţelege un ansamble de conductoare de conexiune plasate în unul, două sau mai multe planuri paralele, fixate pe un suport rigid sau flexibil şi formând un ansamblu. Conductoarele, realizate sub formă de benzi sau suprafeţe metalice, se numesc conductoare imprimate. • Prin circuit imprimat, se înţelege de obicei, ansamblul suport izolant, conductoarele imprimate şi componente fixate definitiv pe suport.

5. Tehnologia cablajelor imprimate are numeroase şi importante avantaje: • asigură un grad de compactizare ridicat; • se reduce volomul si dificultatea operaţiilor de montare şi asamblare, care pot fi com-plet automatizate; • asigură o mare reproductibilitate în dispunerea pieselor şi conductoarelor de conexiune, ceea ce simplifică enorm relgajele, acordările şi permite controlul cuplajelor parazite; • identificarea pieselor şi traseelor este uşoară şi se simplifică depanarea; • consumul de cupru se reduce drastic, conductoarele putând fi dimensionate în funcţie de cerinţele electrice (intensitate curent, inductanţă şi rezistenţă etc.); • fiabilitatea şi mentenabilitatea produselor sunt ridicate; • costurile sunt reduse.

6. In prezent, progresele tehnologice au determinat: • ieftenirea cablajelor, a căror utilizare şi în montaje experimentale a devenit o practică curentă; • diversificarea tipurilor de cablaje imprimate (flexibile, multistrat), a tehnologiilor de asamblare (asamblarea cu piese montate pe suprafaţă); • extinderea tehnologiilor specifice cablajelor imprimate la realizarea unor componente imprimate (rezistoare, bobine, condensatoare), a unor componente precum şi în alte domenii (bobinaje pentru motoare electrice miniatură, suspensii şi arcuri pentru meca-nisme fine etc.)

7. Utilizări ale cablajelor imprimate: a – cablaj imprimat pentru montaje electronice; b – condensator imprimat; c – bobine imprimate; d – elenment de comutator rotativ; e –micromotor cu rortor pe cablaj imprimat

8. Diversitatea cablajelor este foarte mare şi clasificările se pot face din mai multe puncte de vedere: • După însuşirile mecanice ale suportului izolant, există cablaje pe suport rigid şi pe suport flexibil. • După numărul de plane în care se află conductoarele, există cablaje monostrat, dublu strat şi multistrat. • După modul de realizare a contactelor dintre conductoarele aflate în plane diferite, există cablaje cu găuri nemetalizate şi cu găuri metalizate.

9. După tehnologia de fabricaţie, există: ► Cablaje realizate prin tehnologii subtractive, în care, plecând de la un suport izolant placat cu folie de cupru, conductoarele se obţin prin îndepărtarea metalului în regiunile care trebuie să fie electroizolante. Aceste tehnologii sunt cele mai utilizate ► Cablaje ralizate prin tehnologii aditive, în care conductoarele se obţin prin depunere de metal pe suprtul izolant. ► Cablaje realizate prin tehnologii de sinteză, în care conductoarele şi izolantul intermediar se obţin prin depuneri succesive de metal şi dielectric.

10. Tipuri de cablaje imprimate a, b – mono şi duble strat cu găuri nemetalizate; c, d – dublu şi multistrat cu găuri metalizate; e – calbaj realizat prin tehnologie de sinteză; f – cablaj flexibil

11. Materiale pentru suporturi izolante • Suporturile izolante trebuie să satisfacă un număr mare de cerinţe generale, cum sunt: • proprietăţi electrice bune şi stabile: rezistivitate de volum şi suprafaţă mari, pierderi (tgδ) mica, permitivitate (εr) mică, rigiditate dielectrică mare, ...; • proprietăţi mecanice bune şi stabile: rezistenţă la solicitări mecanice, posibilitate de pre-lucrare prin tăiere, ştanţare, aşchiere, etc.; trebuie avut în vedere că solicitările mecanice sunt preluate în totalitate de suport, conductoarele imprimate neavând rezistenţă mecanică; • stabilitate dimensională şi a tuturor însuşirilor, în timp şi la acţiunea factorilor de mediu (temperatură, umiditate, şocuri, vibraţii, substanţe chimice, ...) • neinflamabilitate (unele norme impun şi autostingerea), rezistenţă la temperatura de lipire, absorbţie şi adsorbţie a apei minime; • preţ de cost redus.

12. Pentru suporturile cablajelor flexibile se mai impun: • flexibilitate bună (rază de curbură minimă sub 1-3 mm); • coeficient de alungire la întindere cât mai mic (conductoarele de cupru nu suportă decât alungiri foarte mici); • rezistenţă la rupere mare. • În prezent, pentru suporturi se folosesc: materiale stratificate, folii de mase plastice termoplaste şi termorigide şi materiale ceramice.

13. Materiale pentru suporturi izolante Cablaje cu găuri metalizate se fabrică numai din materiale cu ţesătură din fibră de sticlă, uzual sticlotextolit. În compoziţia răşinii, de regulă, se introduc şi cantităţi mici de materiale de adaos, pentru îmbunătăţirea unor proprietăţi (de exemplu pentru neinflamabilitate şi autostingere).

14. Suporturile ceramice se fabrică din pastă de oxizi de aluminiu şi beriliu, coaptă la temperaturi peste 1000ºC şi au foarte bune proprietăţi electrice şi termice, rezistenţă mecanică mare la întindere şi presare, dar nu rezistă la îndoire şi la şocuri (sunt casante). Suporturile ceramice se produc sub formă de plăcuţe de maximum 100x100mm, cu grosimi de 0,8 –3mm şi se folosesc cu precădere pentru cablaje realizate prin tehnologii de sinteză. • Suporturile pentru cablaje flexibile se realizează din materiale stratificate, din mase plastice termoplaste (rar) sau termorigide, sub formă de folii cu grosimi de 0,5 – 1,5mm. Foliile stratificate se fac din ţesătură din fibre de sticlă foarte rară, impregnată cu răşină epoxidică şi au flexibilitatea destul de bună (raza minimă de curbură circa 2mm). Dintre masele plastice termorigide, des folosite sunt poliimidele (Kapton), cu bune însuşiri electrice (εr = 3,3 –3,7, tgδ = 0,008), termice (rezistă la peste 400ºC) şi mecanice (comparabile cu ale foliilor strati-ficate cu răşină epoxidică), asigurând o bună aderenţă a conductoarelor. Mai rar se folosesc foliile din Teflon (politetrafluoretilenă – PTFE). Dintre masele plastice termoplaste, se utilizează poliamidele şi poliesteri (PETP – Mylar, ..)

15. Materiale pentru conductoare imprimate • Pentru conductoare imprimate, de departe cel mai utilizat material este cuprul cu puritate electrotehnică (peste 99,5 %). Mult mai rar se foloseşte argintul (în tehnologii de sinteză). • Foaia de cupru pentru acoperirea semifabricatelor placate are grosimi de 5 ... 100μm, dar grosimea cea mai utilizată este în jur de 35μm; grosimile mai mici nu asigură rezistenţa suficientă (conductoarele se desprind uşor de suport, se rup la lipire) şi se folosesc când urmează îngroşarea conductoarelor prin depunere de cupru, iar grosimile mai mari nu sunt economice şi se utilizează pentru cablaje care lucrează în condiţii grele.

16. Materiale pentru conductoare imprimate Deoarece cuprul se oxidează foarte repede, îngreunând lipirea, frecvent se realizează acoperiri de protecţie cu metale sau aliaje greu oxidabile (argint, aur) sau care formează oxizi uşor dizolvabili în flux chiar la lipire (staniu sau aliaj de lipit staniu şi plumb).

17. Tehnologii de fabricare a cablajelor imprimate • În toate tehnologiile, fabricarea cablajelor începe cu prelucrările mecanice genera-le: tăierea plăcilor la formele şi dimensiunile necesare, executarea decupărilor, etc. În unele tehnologii se execută şi găurirea urmată de curăţarea găurilor. În toate tehnologiile, etapa următoare prelucrării mecanice, constă în curăţarea suportului (placat sau nu) , orice impurităţi putând compromite aderenţa substanţelor de acoperire şi în consecinţă calitatea produsului. Curăţarea se face, în funcţie de suport (placat sau nu) şi de impurificarea suprafeţei, prin abraziune (sablare), atac chimic (acizi), spălare cu solvenţi organici şi întotdeauna cu multă apă - cel puţin ultimele spălări este bine să fie făcute cu apă deionizată sau măcar dedurificată (substanţele din apă „obişnuită” impurifică suprafeţele). Uscarea se face, de regulă prin sufla-re cu aer cald. Plăcile trebuie utilizate imediat după curăţare (în câteva ore), cuprul oxidându-se foarte repede.

18. Tehnologii de fabricare a cablajelor imprimate • O altă etapă, prezentă în majoritatea tehnologiilor, este imprimarea imaginii (desenului) cablajului imprimat, operaţie care constă în transpunerea imaginii cablajului, la scara 1:1, pe suport (placat sau nu), rezistentă la acizi. Imprimarea se poate face: • în imagine pozitivă, când sunt acoperite traseele viitoarelor conductoare imprimate, sau • în imagine negativă, când sunt acoperite traseele viitoarelor regiuni izolate. • Urmează o serie de prelucrări mecanice şi/sau chimice care depind de tehnologia utilizată • În tehnologiile care folosesc procedee chimice, după ultimele tratamente chimice se procedează la decontaminare, adică la îndepărtarea produselor reacţiilor chimice care s-au depus pe suport, mai ales în regiunile izolante. Decontaminarea constă în spălări succesive, cu solvenţi şi/sau multă apă (deionizată în final).

19. Tehnologii de fabricare a cablajelor imprimate • În toate tehnologiile moderne, aproape de final se face depunerea unei măşti selective de lipire. Aceasta se realizează prin acoperirea întregii suprafeţe a cablajului, cu excepţia locurilor unde se vor executa lipiri, cu o peliculă de lac, termorezistent, electroizolant. Lacul este translucid (colorat în verde, albastru) şi asigură protejarea conductoarelor în timpul lipirii (nu apar scurtcircuite între conductoare) şi la acţiunea factorilor de mediu. • Adesea, în continuare, se fac inscripţionări cu vopsea pentru identificarea componentelor, punctelor de măsură, etc. • În final, întotdeauna, se face controlul final de calitate, de obicei prin inscripţie vizuală, rareori cu aparatură specială, pentru determinarea întreruperilor, scurtcircuitelor.

20. Tehnologii substractive de fabricare a cablajelor imprimate • Tehnologiile substractive, cele mai răspândite în prezent, se bazează pe folosirea semifabricatelor placate cu foiţe de cupru, pe una sau ambele feţe şi îndepărtarea cuprului din regiunile care vor fi izolate. Îndepărtarea cuprului se face prin corodare mecanică sau chimică. • Corodarea mecanică se face prin frezare, pe maşini comandate de calculatoare, pe care se execută şi găurile; se obţin cablaje cu găuri nemetalizate – metalizarea găurilor se poate face ulterior, prin metode chimice şi electrochimice. Procedeul necesită utilaje relativ ieftine, este curat iar cablajele sunt de bună calitate. Productivitatea fiind mică, corodarea mecanică se foloseşte pentru unicate şi serii mici. • Corodarea chimică este mult mai folosită, având productivitate mare, existand în multe variante, cu diferite costuri şi calităţi ale cablajelor, în funcţie de necesităţi şi tehnologie.

21. Fabricarea cablajelor imprimate cu găuri nemetalizate, cu conductoare nemetalizate, prin tehnologie substractivă

22. Fabricarea cablajelor imprimate cu găuri nemetalizate, cu conductoaremetalizate, prin tehnologie substractivă Fabricarea cablajelor imprimate cu găuri nemetalizate, cu conductoare metalizate, prin tehnologie substractivă

23. Cablajele cu găuri metalizate sunt net superioare calitativ faţă de cele cu găuri nemetalizate, dar şi mult mai scumpe (cam de 2 ori) - necesită utilaje speciale pentru găurire, procesul durează mult şi prescripţiile tehnologice (temperaturi, durate, compoziţii ale băilor de tratare chimică) trebuie respectate cu stricteţe. Fabricarea cablajelor imprimate cu găuri metalizate printehnologiesubstractivă

24. Fabricarea cablajelor multistrat prin tehnologia substractivă

25. Tehnologii aditive de fabricare acablajelor imprimate Avantajele tehnologiei aditive constau în consumul mai redus de cupru şi costul mai redus al semifabricatului (nu este placat). Dezavantajul major al acestei tehnologii constă în aderenţa scăzută a conductoarelor la suport, problemă încă nerezolvată. Prin tehnologie aditivă se pot fabrica şi cablaje multistrat (3-4 straturi), după un procedeu asemănător celui substractiv.

26. Fabricarea cablajelor imprimate prin tehnologii de sinteză • În tehnologia de sinteză conductoarele şi izolantul dintre ele se realizează prin depuneri succesive de material, de regulă pe suporturi ceramice. • Tehnologiile de sinteză se folosesc în două variante: tehnologia păturilor groase şi tehnologia păturilor subţiri.

27. Tehnologia păturilor groase • În tehnologia păturilor groase, conductoarele dintr-un strat se obţin prin vopsire cu pastă din săruri metalice folosind o mască serigrafică sau un şablon cu degajările corespunzătoare traseelor conductoare. După reducere prin ardere, se obţin traseele metalice. Izolantul se depune sub formă de pastă ceramică (oxizi de aluminiu), umplând spaţiile dintre conduc-toare prin vopsire şi ştergere cu racleta. După ardere pentru întărirea ceramicii, se trece la formarea următorului strat. • Dificultăţi apar când trebuie rea-lizate multe straturi, deoarece tempera-tura de ardere a ceramicii dintr-un strat trebuie să fie cu cel puţin 20ºC mai mică decât a ceramicii din stratul prece-dent; este greu să se realizeze sortimen-te de ceramică cu temperaturi de ardere diferite într-un interval larg.

28. Tehnologia păturilor subţiri • În tehnologia păturilor subţiri, metalul pentru conductoare şi izolantul ceramic se depun prin evaporarea în vid a substanţei, încălzite la topire. In vid înaintat (sub 10–6torr) moleculele se deplasează rectiliniu, în fascicule moleculare sau ionice. Pentru formarea conductoarelor, în calea fasciculului molecular se intercalează şabloane cu degajări corespunzătoare traseelor conductoare, iar pentru creşterea izolaţiei se folosesc şabloane complementare celor pentru conductoare. • În tehnologia păturilor subţiri nu există practic limite în complexitatea cablajelor şi în numărul de straturi. Dezavantajele procedeului constau în rezistenţa scăzută a conductoarelor şi frecvenţa destul de mare a defectelor de structură, ceea ce duce la un procent de rebuturi destul de mare. În plus, utilajele sunt complexe, scumpe, procesul trebuie foarte bine controlat - de exemplu, este necesară măsurarea în permanenţă a grosimii straturilor depuse.

29. Cablajele realizate prin tehnologii de sinteză permit o foarte mare densitate de componente, care, întotdeauna, se montează pe suprafaţă. Frecvent, astfel de cablaje se folosesc pentru circuite integrate hibride (componentele, fără capsulă, se montează pe suprafaţă, se fac legăturile la terminale încastrate în suport, iar ansamblul se înglobează în răşină şi se încapsulează ermetic). • Prin tehnologie hibridă se realizează foarte uşor componente pasive - rezistoare (paste sau depuneri de metale cu rezistivitate mare şi ajustare la valoare cu laser), bobine şi condensatoare, linii de transmisie plate, etc.