Печатные платы: выбор базовых материалов

Москва
Горячая линия – Телеком
2016

 
УДК 621.3.049.75.002.72 
ББК 32.843 
     М94 
 
Р е ц е н з е н т :  доктор техн. наук, профессор  А. М. Медведев 

Мылов Г.В. 
М94         Печатные платы: выбор базовых материалов. – М.: Горячая 
линия – Телеком, 2016. – 172 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0486-6. 
Систематизирована обширная информация об основных материалах и компонентах, используемых при изготовлении печатных 
плат различного типа. Изложены методологические основы применения и испытаний базовых материалов печатных плат. Рассмотрены 
вопросы технологичности материалов в производстве печатных 
плат и сборок. Представлена концепция обеспечения надежности 
входного контроля поступающих в производство материалов и 
комплектующих. Даны практические методики входного контроля 
компонентов. 
Для специалистов, будет полезна аспирантам и студентам. 
ББК 32.843 
 
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

Научное издание 
Мылов Геннадий Васильевич 

ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ: ВЫБОР БАЗОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Монография 

Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышова 
Обложка художника  О. В. Карповой 
 
 
Подписано в печать  26.01.2015.  Формат 60×88/16. Уч. изд. л. 10,75.   
Тираж 500 экз. (2-й завод 100 экз.) 
ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» 
 
ISBN 978-5-9912-0486-6                                         © Г. В. Мылов, 2015, 2016 
  
 
              © НТИ «Горячая линия – Телеком», 2016 

Введение

Электроника, информационные технологии, управление, приборная автоматика, средства обработки и хранения информации, телекоммуникации стали технической базой высоких технологий. Ядром этих технологий являются технические и программные средства
обработки информации и вычислений. Вооруженность этими средствами, полнота их использования определяет облик современного
общества, определяет интеллектуальный потенциал государства.
Постоянное совершенствование нано- и микроэлектронных технологий требуют постоянного роста плотности межсоединений, физической основой которых являются печатные платы. При этом все
более усложняются технологии их реализации. В мировой практике новые поколения технологий печатных плат меняются каждые
5...6 лет. В поддержку новых технологий создаются новые базовые
материалы с более жесткими требованиями к качеству и надежности. По существу, новые технологии не могут быть реализованы без
новых материалов.
Тем не менее, отечественное производство базовых материалов
для печатных плат катастрофически отстает от современного уровня требований. Последние разработки относятся к 1976 году и более
не возобновлялись. Мало того, заводы, производящие отечественные материалы, постепенно исчезают с рынка поставок по причине
их банкротства или резкого устаревания основных фондов.
Основные трудности в развитии производства базовых материалов состоят в разлаженности механизмов их создания. Их компоненты — плод усилий различных отраслей: химической (полимеры
связующего, полимерные пленки, клеящие материалы), металлургической (фольги) и электротехнической (стеклоткани и сами композиты). Если раньше объединениями этих усилий управляла ВПК,
то теперь нужна некая структура, которая смогла бы организовать
взаимодействие этих структур.
Сегодня производство электроники в России занимает всего
0,5 % от мирового производства. В условиях, когда все производство
электроники строится на импорте, значительно удорожающем продукцию, трудно обеспечить конкурентоспособность на внутреннем и

Введение

мировом ринке. Поступающие на наш рынок импортные материалы
почти в два раза удорожают нашу продукцию. И это не позволяет
увеличить объемы производства отечественной электроники.
Развитие отечественной базы производства необходимо и для изделий специальной техники для военного применения, для аэрокосмической техники, систем безопасности и телекоммуникаций. Недавно принятый ГОСТ РВ 5998-002 «Платы печатные военного применения» запретил использование импортных материалов, не считаясь с тем, что использование отечественных материалов отбрасывает нас на 40 лет назад.
Созрела настоятельная необходимость в ряде НИОКР базовых
материалов, рассчитанных на дальнюю перспективу с опережением
мирового уровня за счет, в том числе, использования наноструктурированных материалов с рядом новых уникальных свойств.
Электрические
параметры
электрических
узлов
настолько
сложны и разнообразны, что для выполнения этих задач необходим тщательный отбор материалов, которые могли бы обеспечить
предъявляемые требования к аппаратуре.
Для решения этой задачи целесообразно заново создать научнопроизводственную базу, способную вести научные разработки технологий компонентов базовых материалов и реализовывать их в своем
производстве, постоянно обновляя в нем технологии в угоду развивающемуся производству печатных плат применительно к постоянному увеличению интеграции элементной электронной базы.

АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ
ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

1.1. Особенности российского производства
печатных плат

Промышленное освоение новых технологических принципов обходится слишком дорого, чтобы перестраивать под них производство
без тщательного анализа и предварительного опробования.
Сегодня, в условиях рыночной экономики, особенно важно проявлять профессионализм в инвестировании производства, поскольку каждая даже, казалось бы, малозначительная ошибка может привести к большим экономическим потерям. В этом принципиальное
отличие нашего времени от предыдущего периода затратной экономики, мало считавшейся с потерями ради дальней цели.
Чтобы определиться в своем положении на международном
рынке разделения труда, россиянам приходится оглядываться и на
Запад, и на Восток, чтобы правильно сориентироваться и использовать свои несомненные преимущества. В чем же преимущества
российских производств электроники?

1.1.1. Первый ряд преимуществ

У нас остался еще инженерный потенциал, способный поднять и
освоить в производстве любые сложные технологии. Это очень важно, что мы еще хорошо понимаем все новые технологические тонкости и готовы их осваивать при наличии соответствующего оборудования и материалов. При этом российские технологи мыслят более широко, воспринимая новые технологические принципы во всем
комплексе проблем, что недоступно большинству иностранных специалистов. В российских производствах в последнее время обнаруживается потребность в молодых кадрах с достойными предложениями зарплаты. И это вселяет надежду на дальнейшую поддержку
и развитие нашего интеллектуального потенциала.

Г л а в а 1

1.1.2. Второй ряд преимуществ

В России относительно дешевые энергоресурсы и трудозатраты.
Так, в цене продукта в Германии стоимость трудозатрат составляет
40 %, в Китае 8 %, в России 12...14 %. Зато в Китае энергоресурсы
составляют 36 %, а у нас всего лишь 7...9 %.
Тем не менее, массовое производство электроники перемещается в Юго-Восточную Азию. Но структура продукции говорит о
том, что сюда перемещается массовое производство относительно
простой продукции. В США объемы производства электронных изделий упали с $11,5 млрд в 2000 г. до $5,5 млрд в 2004 г., в Европе
с $5,4 до $3 млрд. В то же время в ЮВА наблюдается подъем с $12
млрд до $18 млрд в основном за счет перемещения сюда простых
продуктов массового спроса. Китай — просто большой сборочный
цех. Хотя на самом деле это очень не просто.
В конечном счете создание собственных производств в России
обусловлено не только соображениями технологической независимости, но и прямой выгодой в оперативности собственных разработок и постановке их на производство, но и в возможности слежения
за общими тенденциями развития технологической базы на международном рынке. Эти тенденции поддерживаются непрерывным
увеличением плотности межсоединений за счет уменьшения элементов печатного монтажа: ширины проводников и зазоров, отверстий
и контактных площадок, пространственного (послойного) распределения межслойных переходов за счет использования сквозных, глухих, слепых отверстий (рис. 1.1, табл. 1.1). Все это серьезно влияет на облик производства печатных плат: увеличивается стоимость

Рис. 1.1. Структура МПП (элементы многослойной структуры печатной
платы)

Анализ развития технологии печатных плат
7

Таблица 1.1
Численные характеристики МПП, обозначенные на рис. 1.1

Символ

Параметр
Минимальный размер, мм

Сегодня Завтра Послезавтра

Характеристики рисунка

А
Ширина проводника на внешнем слое
0,11
0,08
0,06

В
Зазор на внешней поверхности
0,12
0,1
0,065

С
Ширина проводника на внутреннем
слое

0,11
0,08
0,05

D
Зазор на внутреннем слое
0,11
0,1
0,07

Характеристики сквозных отверстий

H
Диаметр сверления сквозного отверстия

0,25
0,2
0,15

I
Контактные площадки сквозного отверстия

0,55
0,5
0,4

Отношение толщины платы к диаметру сквозного сверления

10
14
18

Характеристики глухих отверстий

Е
Диаметр глухого отверстия
0,15
0,085
0,045

F
Контактная площадка основания глухого отверстия

0,35
0,25
0,06

G
Контактная площадка входа глухого
отверстия

0,4
0,30
0,10

J
Отношение глубины к диаметру глухого отверстия

= 1
= 1
= 1

K
Диаметр верхнего глухого отверстия
0,175
0,15
0,075

L
Диаметр нижнего глухого отверстия
0,1
0,075
0,035

Р
Контактная площадка верхнего глухого отверстия

0,375
0,325
0,25

Характеристики слепых отверстий

М
Глубина металлизированного слепого
отверстия

0,2
0,15
0,1

N
Диаметр сверления слепого отверстия
0,25
0,2
0,2

О
Контактные площадки слепого отверстия

0,55
0,5
0,4

основных фондов, объем прямых издержек, увеличивается временной цикл производства. Все это приводит к увеличению инвестиций
в основное производство, в развитие профессионализма персонала,
что в конечном счете сказывается на себестоимости печатных плат.
Заказывая платы на стороне, заказчик волей-неволей оплачивает
производителю все его издержки на развитие, сам обрекая себя на
роль постороннего наблюдателя, оставаясь в стороне от прогресса.

1.2. Обоснование организации собственного
производства
Если все же руководство предприятия решается на создание
собственного производства, оно должно решить для себя два вопроса: на какой технический уровень замахиваться и на какой объем

Г л а в а 1

реализации собственной продукции можно рассчитывать. Первый
и второй вопрос связаны незримой нитью в том, что востребованность в печатных платах определяется не столько их ценой (их цена
ничтожна в цене изделия), сколько в возможностях производства
высокотехнологичных продуктов с высоким уровнем надежности.
Российская действительность характерна тем, что технологическое
обеспечение надежности гарантируется только при строгом надзоре
за производством. При изготовлении плат на стороне этот надзор
недоступен. Мало того, при появлении отказов результаты их анализа могут быть использованы производителем как информация, но
не как директива к ликвидации причин отказа.
Что касается технического уровня технологий печатных плат
(ПП), то он объективно вынужден развиваться параллельно и теми же темпами, что и развитие конструкций корпусов компонентов.
Направленность обновлений в этой части производства в основном
будет состоять в снижении себестоимости продукции, в обновлении
парка оборудования, подвергнувшемуся физическому и моральному
износу.
Но любое обновление, если на него выделяются средства, целесообразно строить из соображений создания высокотехнологичного
производства, в котором можно было бы изготавливать изделия по
высоким проектным нормам, не доступным большинству конкурирующих предприятий. Поэтому производители электронных изделий рано или поздно встают перед задачей перевооружать производство или создавать новое под новые потребности рынка.

1.3. Строительство собственного производства

Собственное производство — предпочтительный вариант в той
неопределенности и неустойчивости российского рынка печатных
плат и электронных модулей, свойственной нынешнему времени.
Положительные стороны создания собственного производства:
• возможность управления собственными ресурсами для минимизации производственных затрат и времени вывода изделий на
рынок; возможность управления качеством и надежностью изделий применительно к собственным задачам;
• возможность быстрого реагирования на потребности разработчиков аппаратуры, возможность срочного внесения изменений,
проведения экспериментальных проработок;
• выпуск изделия любыми партиями и в любой очередности; оперативное реагирование на изменения рыночной конъюнктуры,
быстрая перестройка производства под новые задачи.

Анализ развития технологии печатных плат
9

Что касается организаций, ведущих разработку новых изделий,
то для них важно иметь возможность оперативного внесения изменений в конструкторскую документацию при первом изготовлении
и наладке изделия. Как правило, любой проект проходит несколько итераций, и размещение заказов на экспериментальные изделия
обходится дорого. Если учесть, что на взаимоотношениях между авторами проектируемого изделия и изготовителем существенно сказываются бюрократические рогатки, свойственные России, можно
понять, насколько тормозится продвижение проектов на рынок или
выполнение госзаказов.
Поэтому разрабатывающие организации испытывают значительные неудобства в размещении заказов на изготовление их изделий, особенно сигнальных образцов, на стороне: если для подтверждения очередного варианта проекта нужно 2–3 образца платы одного типа, то для поставщика приходится оплачивать заказ на
групповую заготовку или партию объемом в 50–100 шт. Если учесть,
что один проект проходит несколько итераций, то можно понять,
что поштучные цены на изготовление печатных плат на стороннем
предприятии, в том числе, за рубежом, на самом деле оборачиваются серьезными издержками.
Второе обстоятельство — различия в подходах к технологическому обеспечению качества и надежности межсоединений на печатных платах. Известно, что на них приходится примерно 30 %
отказов. Это обусловлено тем, что для выполнения вашего заказа
ответственного назначения никакой сторонний производитель не переделывает технологический и производственный процесс под ваш
заказ. Как правило, контрактные производители настраивают свое
производство на снижение себестоимости своей продукции, и часто
это плохо сказывается на качестве плат. При обнаружении отказа
в вашей аппаратуре по вине плат вы не сможете провести мероприятия по устранению причин в производстве у производителя и тем
самым, не сможете обеспечить нужный вам уровень надежности аппаратуры.
Третье обстоятельство — фактор взаимоотношений со сторонним изготовителем — соблюдение сроков выполнения заказов. Это
особенно важно, когда размещенный на стороне заказ идет на комплектование более сложного комплекса и несвоевременность поставок от стороннего изготовителя может привести к существенным
временным и финансовым издержкам.
Четвертое обстоятельство — наличие госзаказов с соответствующей приемкой. Для выполнения таких заказов необходим контроль

Г л а в а 1

за выполнением особо важных операций, поэтомy на предприятии
нужно иметь приемку с делегированными ей функциями в интересах вашего ведомства. Если этого нет, то аттестация готовой платы
весьма затруднительна даже при наличии тестирующего оборудования. Дополнительно требуется оборудование для климатических
испытаний и дополнительные трудозатраты для проведения приемосдаточных и периодических испытаний, для входного контроля.
При строгом отношении к качеству плат, изготовленных на стороне
в неизвестных для вас условиях, без вашего сопровождения они становятся дороже, а качество — «кот в мешке».
Ещё одной из причин этой тенденции является стремление к
сохранению схемных и конструкторских решений в секрете от возможных конкурентов, поскольку некоторые (в частности, китайские) фирмы, выполнив контракт по сборке партии печатных узлов
(особенно если он включал в себя ещё и контракт по изготовлению
плат), вскоре налаживают собственное производство таких же (или
несущественно отличающихся) изделий.
Для справедливости нужно оговорить и отрицательные стороны организации собственного производства: большие начальные затраты, трудности в организации производственного процесса, комплектование и обучение персонала, налаживание бесперебойных поставок базовых и расходных материалов, комплектующих, их складирование в надлежащих условиях, входной контроль, оснащение
лаборатории для испытаний изделий по общепринятым стандартам.
Сторонние изготовители снимают с вас большую часть этих проблем. Однако вы лишаетесь возможности оперативного управления
производством собственных изделий и отдаете часть своей прибыли
стороннему изготовителю. Большинство же этих проблем решаются
при обращении к инжиниринговой компании.
Если принято решение о создании собственного производства,
первым шагом должен стать выбор инжиниринговой фирмы, способной предложить комплексное решение и обеспечить максимальную открытость проекта производства. Если этого нет, у заказчика
проекта может возникнуть недоверие к разработчику и исполнителю
проекта. Выбирая фирму, заказчик рассчитывает найти профессиональный коллектив, способный гарантировать заказчику оптимальный вариант комплектования производства под заданные требования, качество оборудования с приемлемой стоимостью, соблюдение
сроков поставок и пуска оборудования, обучение персонала и комплексный пуск производства. Хорошо, когда инжиниринговая фирма (исполнитель комплексного проекта производства) проявляет за