МНОГОСЛОЙНАЯ ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА

Полезная модель относится к области радиотехники, в частности, к производству многослойных печатных плат (МПП), и может быть использована преимущественно в экспериментальном и мелкосерийном производстве, например, при изготовлении уникальной аппаратуры с высокой надежностью.
Из уровня техники известна конструкция многослойной печатной платы (Патент РФ №2127500, опубликовано 10.03.1999 г., МПК: H05K 1/16; H05K 1/14; H05K 3/24; H01K 3/00), которая представляет собой пакет фольгированных подложек, на поверхности которых сформирован рисунок проводников и контактных площадок. Сборку пакета осуществляют путем приложения давления (прессованием), с последующим сверлением отверстий под межсоединения и установку в них стержней или заклепок. Недостатком данной многослойной печатной платы является большая трудоемкость изготовления и низкая надежность изделия при производстве печатных плат с высокой степенью интеграции.
Известна многослойная печатная плата (Патент на полезную модель РФ №60297, опубликовано 10.01.2007 г., МПК: H05K 3/46), которая имеет на поверхности каждого слоя рисунок проводников и контактных узлов в виде контактных площадок с припоем заданных размеров, вокруг которых сформированы охранные кольца для ограничения самопроизвольного растекания припоя по поверхности платы в процессе вакуумной пайки, и отверстия в диэлектрической подложке.
Недостатком конструкции этой многослойной печатной платы является увеличение интеграции платы без снижения плотности межсоедиений, т.е. для печатных плат с высокой плотностью размещения топологии электропроводящего рисунка данное решение потребует значительного увеличения габаритов устройства. Также при существующем методе размещения микросхемы BGA понятие шаг микросхемы можно считать условным. Фактически можно провести печатные дорожки по верхнему слою только с двух, трех наружных рядов выводов, а для остальных сигналов необходимо устанавливать переходные отверстия возле контактных площадок.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является многослойная печатная плата (Патент на полезную модель РФ №120831, опубликовано 27.09.2012 г., МПК: H05K 3/46, H05K 3/40), которая выбрана в качестве прототипа. Многослойная печатная плата содержит слои диэлектрического базового материала, на одной или двух сторонах которого расположены элементы печатной схемы, изолирующие прокладки, контактные площадки из медной фольги, расположенные в заданных координатах на поверхности платы и служащие для осуществления электрических соединений между элементами печатной схемы, отверстия для создания межслойных электрических соединений в контактных площадках всех слоев, отличающаяся тем, что все слои диэлектрического базового материала выполнены в виде двухстороннего фольгированного полиимида, изолирующие прокладки выполнены в виде полиимидной пленки для разделения соседних слоев с рисунками печатных схем, открытые поверхности медных контактных площадок покрываются припоем, с помощью которого после сборки всех слоев, входящих в конструкцию платы, осуществляется пайка, что обеспечивает электрические и механические соединения в плате, причем отверстия выполнены в верхнем печатном слое, в полиимидной пленке и в контактной площадке нижнего слоя.
К недостаткам данного технического решения можно отнести невозможность использования микросхем в корпусах BGA с малым шагом выводов и сверхбольших микросхем (СБИС) в корпусах BGA, LGA и им подобных, с большим количеством выводов.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в снижении плотности межсоединений многослойной печатной платы.
Технический результат достигается тем, что многослойная печатная плата содержит слои диэлектрического материала, на одной или двух сторонах которого расположен слой проводящего материала, изолирующие прокладки, контактные площадки для осуществления электрических соединений между элементами печатной схемы, расположенные в заданных координатах на поверхности платы, сквозные отверстия для создания межслойных электрических соединений в контактных площадках всех слоев. При этом многослойная печатная плата отличается от прототипа тем, что выполнена с возможностью послойного наращивания на основу последующих слоев, включающих глухие переходные отверстия, размещенные в каждом последующем слое непосредственно под контактными площадками выводов элементов, и зарощенные медью.
Для современных сложных электронных устройств характерной особенностью является применение микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции. Поэтому все большую популярность получают компоненты в матричных типах корпусов. Это корпуса типа LGA (Land Grid Array), BGA (Ball Grid Array), CGA (Column Grid Array). BGA корпуса позволяют оптимальным образом разместить большое количество выводов на ограниченной площади, обеспечивая все необходимые технологические нормы при монтаже. Небольшие размеры, особенно в случае применения микросхем с малым шагом, снижают затраты на их производство. Расположение всех выводов в одной плоскости, с нижней стороны корпуса BGA, позволяет получить длину цепей более короткую, чем у микросхем, имеющих другие конструктивные исполнения. Это приводит к снижению паразитных излучений и, как следствие, положительно сказывается на целостности сигналов.
При изготовлении уникальной аппаратуры с высокой надежностью основной задачей разработчиков многослойных печатных плат является снижение плотности межсоединений при их изготовлении, что дает возможность разместить электрическую схему на печатной плате с меньшими габаритными размерами, использовать микросхемы BGA с меньшим шагом, снизить слойность печатной платы, повысить надежность межсоединений, избежать замыканий при установке планарных микросхем и микросхем BGA с использованием поверхностного монтажа.
Решение поставленной задачи в данной полезной модели достигается за счет смещения переходных отверстий непосредственно под контактные площадки выводов микросхем. При изготовлении данной МПП используется технология послойного наращивания, с последующим заращиванием глухих переходных отверстий медью.
Сущность полезной модели поясняется рисунками Фиг. 1 - Фиг. 6.
На Фиг. 1 изображена многослойная печатная плата для размещения микросхемы BGA с переходными отверстиями (вид сверху).
На Фиг. 2 изображена многослойная печатная плата для размещения микросхемы BGA с переходными отверстиями (в разрезе).
На Фиг. 3 изображена предлагаемая многослойная печатная плата для размещения микросхемы BGA с глухими отверстиями под контактными площадками (вид сверху).
На Фиг. 4 изображена предлагаемая многослойная печатная плата для размещения микросхемы BGA с глухими отверстиями под контактными площадками (в разрезе).
На Фиг. 5 изображена последовательность сборки пакета четырех-слойной печатной платы с глухими межслойными переходными отверстиями с первого на третий слой и сквозными отверстиями с первого на четвертый слой.
На Фиг. 6 изображен разрез четырехслойной печатной платы с глухими межслойными переходными отверстиями с первого на третий слой и сквозными отверстиями с первого на четвертый слой.
Многослойная печатная плата (МПП) содержит слои диэлектрического материала 1, на одной или двух сторонах которого расположен слой проводящего материала 2, контактные площадки выводов элементов 3 для осуществления электрических соединений между элементами печатной схемы, расположенные в заданных координатах на поверхности МПП, изолирующие прокладки 4 для разделения соседних слоев с рисунками печатных схем, сквозные переходные отверстия 5 для создания межслойных электрических соединений в контактных площадках всех слоев, а также глухие переходные отверстия 6 в наращиваемых на основу слоях. Глухие переходные отверстия 6 предназначены для соединения наружного слоя с одним или несколькими внутренними слоями МПП. Устанавливать переходные отверстия можно разными способами, но наиболее эффективным и часто используемым является установка переходных отверстий по диагонали от контактных площадок для выводов элементов (Фиг. 1, Фиг. 2). Причем для больших BGA микросхем (>600 выводов) рекомендуется выводить переходные отверстия с каждой стороны платы в разные стороны для уменьшения дефектов при монтаже (Технологии в производстве электроники. Часть III. Гибкие печатные платы / Под общ. ред. А.М. Медведева и Г.В. Мылова - М.: "Группа ИДТ", 2008. - 488 с).
В предлагаемой многослойной печатной плате глухие переходные отверстия 6 в слоях размещены непосредственно под контактными площадками 3 выводов элементов 6 и зарощены медью 7 (Фиг. 3, 4).
Изготовление многослойной печатной платы осуществляют следующим образом. Формируют основу 8 многослойной печатной платы, (например, известным способом фотолитографии), включающую слой диэлектрического материала, слой меди (медной фольги) с одной или двух сторон диэлектрического материала. Осуществляют выполнение рисунка проводников и контактных площадок на фольгированной подложке. Затем поочередно изготавливают последующие слои 9 МПП, каждый из которых содержит слой диэлектрического материала 1 и слой меди 2. После чего осуществляют сборку МПП методом послойного наращивания (напрессовки) на основу 8 последующих слоев 9. Метод послойного наращивания заключается в последовательном чередовании слоев 9, каждый из которых включает диэлектрический материал 1 и проводящий материал 2. В каждом последующем слое 9 выполняют глухие переходные отверстия 6 на глубину в областях контактных площадок 3 под контакты микросхем. Глухие переходные отверстия 6 в каждом слое 9 заращивают медью 7. Осуществляют механическую зачистку поверхности каждого слоя 9 для удаления лишней меди, особенно в областях межслойных переходов, где не должно быть наплывов меди. Формируют токопроводящий рисунок проводников и контактных площадок 3 для каждого слоя. После прессования всех слоев заготовки МПП выполняют сверление сквозных переходных отверстий 5, гальваническое осаждение меди и изготовление топологии внешних слоев.
Использование метода послойного наращивания позволяет получить высокую плотность размещения проводников во всех слоях печатной платы и очень высокую плотность монтажа, вследствие возможности выполнения межслойных переходов в любой точке МПП, независимо от трассировки и расположения межслойных соединений любых смежных слоев.
В качестве примера рассмотрим способ изготовления четырехслойной печатной платы для установки микросхемы ВОА, с глухими межслойными переходами с первого на третий слой и сквозными переходными отверстиями с первого на последний слой. Формирование данной печатной платы осуществляют методом фотолитографии на фольгированных подложках. На начальном этапе изготавливают основу 8 многослойной печатной платы, состоящую из слоев, не содержащих глухих переходных отверстий (третий и четвертый слои на Фиг. 5). Затем изготавливают второй слой МПП, включающий диэлектрический материал 1 и проводник 2. Осуществляют сборку в пакет путем напрессовки второго слоя через прокладку 4 на основу МПП 8, методом послойного наращивания. Во втором слое выполняют глухие переходные отверстия 6 на глубину, под контактными площадками 3 для распайки микросхем BGA. Производят заращивание глухих переходных отверстий 6 медью 7 (Фиг. 6). Осуществляют механическую подготовку поверхности, нанесение рисунка топологии второго слоя. Аналогично второму слою изготавливают первый слой и через прокладку 4 напрессовывают его на заготовку, содержащую второй, третий и четвертый слои. Выполняют во втором слое глухие переходные отверстия 6 на глубину в области размещения контактных площадок 3, заращивают их медью 7. Осуществляют подготовку участков в областях контактных площадок 3 микросхем на установке лазерной подготовки поверхности. Осуществляют сверление сквозных переходных отверстий 5 в собранной МПП и нанесение рисунка внешних слоев (первого и четвертого).
Результатом использования данного технического решения является заполнение освобожденных от переходных отверстий мест между контактными площадками выводов микросхемы BGA элементами токопроводящего рисунка. Зарощенное переходное отверстие будет выполнять роль контактирующего элемента с выводом микросхемы BGA и одновременно обеспечивать межслойную связь с другими элементами схемы.
Таким образом, снижение плотности межсоединений многослойной печатной платы, за счет смещения переходных отверстий под контактные площадки микросхемы ВОА и заращивания их медью, дает возможность разместить электрическую схему на печатной плате с меньшими габаритными размерами, использовать микросхемы BGA с меньшим шагом, снизить слойность печатной платы, повысить надежность межсоединений, избежать замыканий при установке планарных микросхем и микросхем BGA с использованием поверхностного монтажа, полностью устранить короткие замыкания между токоведущими элементами МПП в процессе пайки.