4.4.1.5. Многослойные гпп

Многослойные ГПП имеют три и более проводящих слоев с элемен­тами печатного монтажа, соединенных металлизированными отверстиями (межслойными переходами) для обеспечения электрической связи между слоями.

При конструировании многослойных ГПП используются:

• односторонние и двусторонние слои с элементами печатного монта­жа, выполненные на гибком фольгированном или нефольгирован­ном материале;

• соединительные пленки с адгезивом (препрег), защищенные удаляе­мой пленкой, для склеивания слоев в многослойную структуру;

• покрывная полиимидная пленка с адгезивом для защиты поверхно­сти МПП.

Основные характеристики МПП на полиимиде приведены в табл. 4.42.

Многослойные ГПП на полиимиде получают из ДПП и ОПП на поли­имиде, которые устанавливают на жесткое основание с контактными пло­щадками [12]. При этом каждую ДПП изолируют друг от друга перфориро­ванными прокладками из полиимида, и весь пакет из собранных ДПП припаивают к контактным площадкам основания через сквозные переход-

Таблица 4.42. Основные характеристики МПП на полиимиде . ' с*‘

Параметр	Характеристика ^г^ь'^А
Область применения,	Спецтехника
Минимальная ширина проводников и рас­стояний-между ними, мкм	О ' • tv . о
Минимальный диаметр переходных' отвер­стий, мкм	50. .60
Рекомендуемые максимальные размеры МПП, мм	150x250 .
Максимальное число слоев	12...20
| Удельная паразитная емкость, пф/см	0,3

ные металлизированные отверстия ДПП для получения электрической свя­зи между слоями и основанием (рис. 4.48). ¹

5 4

Рис. 4.48. Структура МПП на полиимиде в разрезе: 1 — полиимидные прокладки; 2 — спай;

3 — ДПП на полиимиде; 4 — контактные площадки; 5 — основание

Для обеспечения хорошего теплоотвода в качестве жесткого основания применяют металлические пластины с изоляционным слоем:

• анодированный алюминий или сплавы алюминия с магнием;

• алюминий с эпоксидной смолой;

• сталь с эпоксидной смолой, эмалью или легкоплавким стеклом;

• ковар с диэлектрическим покрытием и др. '

При выборе жесткого основания основными требованиями является: согласование металла и диэлектрика по TKJIP; хорошая адгезия диэлектри­ка к металлу; высокое качество диэлектрического покрытия на металле.

Наиболее широкое применение получили основания из алюминия.

2. Гибко-жесткие платы

Конструкция ГЖП (см. гл. 1) состоит из жестких и гибких участков единой ПП, и может быть основана на жестких ДПП или МПП. Гибкие части могут содержать несколько односторонних или двусторонних ГПП. В отличие от обычных ПП проводники на гибких участках должны быть покрыты материалом, допускающим изгиб и деформацию. Наиболее часто гибкий участок ГЖП защищают ламинированием полиимидной пленки, которая обеспечивает защиту от внешних механических' и климатических воздействий, электрическую изоляцию и герметизацию проводников. Для защиты гибких участков применяют также гибкие жидкие маски, которые наносят способом трафаретной печати или поливом. Соединение гибких и жестких слоев производят, используя склеивающие прокладки (препрег), прессованием. Межслойные соединения осуществляют при помощи глу­хих, скрытых или сквозных металлизированных отверстий. Для монтажа ЭРИ и ПМК используют жесткие части ГЖП.

В качестве основания может применяться дорогостоящая полиимвдная пленка; стеклоэпоксид толщиной менее 100 мкм, обладающий меньшей гибкостью, но и меньшей стоимостью по сравнению с полиимидом; пре­прег на основе модифицированного эпоксида. Некоторые рекомендации по выбору материалов ГЖП приведены в гл. 2.

Гибко-жесткие платы можно применять при реализации уникальных и сложных, требующих повышенной надежности технических решений (без­отказно работать в жестких условиях окружающей среды), размещаться в плотный трехмерный корпус, например, фотоаппарата. Недостатком ГЖП является их высокая себестоимость, сложность производства из-за исполь­зования разнородных материалов с разными ТКЛР, размерной стабильно­стью и пр.

В табл. 4.43 приведены основные характеристики ГЖП.

Таблица 4.43. Основные характеристики ГЖП на фольгированном основании

Показатели	Характеристика
Элементная база	Традиционная и ПМК
Область применения	Спецтехника, вычислительная техника, средства связи, промышленная электроника
Класс точности	5
Группа жесткости	ГУ
Рекомендуемые максимальные размеры жесткого участка, мм	550 х 450 (число слоев 10—12)
Материал основания	Жесткие слои — стеклотекстолит фольгированный, (Аф = 5...35 мкм). Гибкие слои — полиимид фольгированный, (Аф = 35 мкм). Покрывная пленка — полиимвдная с адгезионным слоем. Стеклоткань с полиимидным^;связующим для склеивания гибкой и жесткой частей. Стеклоткань прокладочная для жесткой части
Минимальный диаметр отвер­стия, мм	0,3 (металлизированное)
Минимальная ширина Провод­ника, мм	0.1
Тип производства	Мелкосерийное

На рис. 4.49 приведена структурная схема ТП изготовления ГЖП.

Рис. 4.49. Структурная схема ТП изготовления ГЖП

Жесткие слои изготавливают комбинированным позитивным или хи­мическим негативным методами, гибкие слои — химическим негативным с напрессовыванием на поверхность защитной покрывной полиимидной пленки с адгезионным слоем. После прессования гибких и жестких слоев изготовление рисунка наружных слоев и металлизированных отверстий на жестких участках ГЖП производят комбинированным позитивным или электрохимическим методом (SMOBS-процесс).

Достоинства ГЖП:

• высокая надежность вследствие защиты проводников гибкого участ­ка покрывной пленкой;

• отсутствие соединителей, объемных проводников и как следствие — снижение массы, электрических помех, отсутствие переходного со­противления, так как жесткие участки МПП и гибкие (ГПК) нахо­дятся в одном монолите;

• возможность использования гибкого участка в качестве ГПК, про­длив его в любую сторону.

2. Гибкие печатные кабели

1. Конструктивные особенности ГПК

Конструктивно ГПК представляют собой многослойную структуру, состоящую:

• из лент стоковедущими жилами (печатными проводниками), распо­ложенными параллельно на диэлектрическом основании с одной или двух сторон. Конструкция окончания лент может быть выполнена в

виде планарных выводов или контактных площадок с металлизиро­ванными отверстиями (см. рис. 3.11), к контактным площадкам в виде планарных выводов подпаивают выводы-гребенки;

• покрывной защитной пленки;

• изоляционных слоев.

Конструкции лент ГПК. Лента ГПК может быть выполнена с одноряд­ным, двухрядным и трехрядным расположением печатных проводников в поперечном сечении.

Однорядная конструкция ленты ГПК может состоять, например, из по­лиимида фольгированного одностороннего ПФ-1 и пленки полиимидной покрывной ППП-0,070 (рис. 4.50).

Двухрядная конструкция ленты ГПК может быть выполнена с различ­ными толщинами изоляционных слоев между проводниками (рис. 4.51 и 4.52).

w, s₂ щ 5₃ Щ К s„_+l

Рис. 4.50. Поперечное сечение однорядной конструкции ленты ГПК: W — ширина жилы; S — расстояние между жилами; 1 — пленка полиимвдная покрывная ППП — 0,070, h_t = 0,070 мм; 2 — полиимид фольгированный односторонний ПФ-1, § = 0,035 мм — толщина медной фоль­ги, hi = 0,065 мм — толщина полиимида без медной фольги

S, W, S₂ W₂ Si fV₃ W_n. S„_+i

Рис. 4.51. Поперечное сечение двухрядной конструкции ГПК: а — с использованием односто­роннего фольгированного полиимида; б — с использованием двустороннего фольгированного полиимида; W— ширина жилы; S — расстояние между жилами; / — пленка полиимидная по­крывная ППП-0,070; (й|=0,07 мм); 2— полиимид фольгированный односторонний ПФ-1, 8 = 0,035 мм — толщина медной фольги, *2 = 0,065 мм — толщина полиимида; 3 — пленка ПКС-171, Аз = 0,08 мм — толщина адгезионной (клеевой) пленки; 4 — полиимид фольгиро­ванный двусторонний ПФ-2, 5 = 0,035 мм — толщина медной фольги, 1ц = 0,09 мм — толщина

полиимида

s, W\ щ s₃

>л+1

Рис. 4.52. Поперечное сечение двухрядной конструкции ленты ГПК: W— ширина жилы; S — расстояние между жилами; 1 — пленка полиимидная покрывная ППП-0,070 (А| = 0,07 мм); 2 — полиимид фольгированный односторонний ПФ-1, 8 = 0,035 мм •— толщина медной фоль­ги, hi = 0,065 мм — толщина прлиимида; 3 — пленка полиимидная клеевая ПКС-171

(Аз = 0,08 мм)

Конструкция ГПК, представленная на рис. 4.51, а, выполнена из двух слоев одностороннего фольгированного полиимида ПФ-1 и одного слоя изоляционной клеевой⁵ Пленки ПКС-171.

Конструкция ГПК, приведенная на рис. 4.51, б, выполнена из двусто­роннего фольгированнбго полиимида ПФ-2 и Двух слоев {верхний и ниж­ний) покрывной полиимидной пленки ППП-0,070.

Конструкция ГПК, изображенная на рис. 4.52, выполнена из двух слоев ПФ-1, двух слоев покрывной полиимидной пленки ППП-0,070 (верхний, нижний) и одного слоя изоляционной клеевой пленки ПКС-171 (средний).

Пример выполненйя конструкции ГПК с трехрядным расположением проводников представлен на рис. 4.53.

■У, fVj S2 Щ .Si ' W₃ W_n Л+1

'■i

Рис. 4.53. Поперечное сечение трехрядной конструкции денть! ГПК;* W — ширина жилы; S — расстояние между жилами; У — гшенка полиимидная покрывная ППП-0,070 (И\ =0,07 мм); 2— полиимид фольгированный односторонний ПФ-1, 8 = 0,б35 мм — толщина медной фоль­ги, *2 = 0,065 мм — толщйна полиимида; 3 — пленка полиимЙдная клеевая ПКС-171 (A3 = 0,08 мм); 4 — полиимид фольгированный двусторонний ПФь2+.б = 0,035 мм — толщина медной фольги, А4 = 0,09 мм — толщина полиимида

В двухрядной и трехрядной конструкции ленты ГПК один или два слоя проводников могут быть'выполнены в виде экрана. Экранирование жил ГПК выполняется за счет двустороннего й одностороннего фольгирован­ного полиимида с рисунком экрана, который исключает образование вих­ревых токов. Пример выполнения рисунка экрана представлен на рис. 4.54 (размеры даны в мм).

Рис. 4.54. Пример выполнения экрана: 1 — контур ГПК-(медная фольга); 2 ■*- сетка экрана (медная фольга); 3 — изоляционное основание» (полиимид)

Конструкции окончания ГПК. Для обеспечения соединения ГПК с ЭРИ необходимо обеспечить соответствующую конструкцию окончания ГПК, которую выбирают в зависимости от типа контактного вывода ЭРИ. Если ГПК соединяют со штыревыми выводами ЭРИ, точна конце ГПК должны быть металлизированные отверстия, которые надевают на штыревые выво­ды ЭРИ в соответствии с маркировкой на ГПК и ЭРИ.

При соединении ГПК с планарными выводами ЭРИ на конце ГПК должны быть контактные площадки, на которые внахлест устанавливают и припаивают планарные выводы.

При соединении ГПК с элементами и блоками ЭА используют стан­дартные миниатюрные соединители, причем число параллельных провод­ников ГПК, их ширина и межцентровые расстояния йоляя^ы быть согласо­ваны со стандартными соединителями. Гибкии печатный кабель при этом является законченным элементом конструкции устройства.

При соединении ГПК с монтажными проводами, провод также паяют внахлест к контактным площадкам на конце ГПК. ~

Если ГПК соединяют с электрическими соединителями и ГПК закан­чивается плоскими коНтактами-гребенками, контакты каждого ответвления ГПК предназначены для одного ряда электрического соединителя; их уста­навливают одновременно в отверстия целого ряда соединителя в соответст­вии с электромонтажным чертежом и распаивают;

Если ГПК соединяют с электрическими соединителями и ленты ГПК заканчиваются планарными выводами, то после лужения соединителя и планарных выводов* ответвление ГПК заводится между двумя рядами со­единителя так, чтобы выводы ГПК совпадали с выводами электрического соединителя в соответствии с электромонтажным чертежом, затем устанав­ливают пружину между двумя рядами соединителя и распаивают.

В качестве основного припоя для выполнения электромонтажа ГПК применяют припой ПОС-61 ГОСТ 21931—76.

При пайке ГПК к гермовыводам используют ступенчатую пайку; т. е. для второй пайки применяют припой менее тугоплавкий, чем первый..

Подпайку жил ГПК с окончанием в виде планарных выводов к гребен­кам выполняют припоем ПОС-61. Последующую пайку ГПК к разъемам, ПП и другим элементам производят припоем ПОСК50-18 (двухступенчатая пайка).

В качестве технологической защиты жил ГПК от повреждений, реко*- мендуется ГПК оформлять внешним контуром, ширина которого порядка

1. 3 мм. Размер между краем токоведущей части жилы ГПК и контуром должен быть не менее 0,3 мм. Жилы ГПК не должны иметь переходов в виде узлов, переходы должны быть плавными. Минимальный размер скруглений не должен превышать 2,5 мм. Переходы контактных площадок в жилы должны быть плавными с радиусом скругления не менее 1 мм. При оформлении контактных площадок для их механического закрепления не­обходимо предусматривать ответвления.

В конструкции ГПК должны быть предусмотрены места для механиче­ского крепления к конструкциям прибора и к монтажным элементам ЭА.

Окончания лент ГПК усиливаются прокладками из полиимида типа ППП-0,70, либо из стеклотекстолита.

Планарные выводы, ГПК вскрываются методами плазменного или хи­мического травления.

Способы крепления ГПК в ЭА. Крепление ГПК в ЭА выбирают таким образом, чтобы закрепленные ГПК не задевали за подвижные части и что­бы не было перемещения, провисания и натяжения ГПК.

После подпайки к электрическим соединителям ГПК необходимо ме­ханически закрепить. Крепление может осуществляться: скобами-планка­ми; нитками; заливкой компаундом; винтами с шайбами.

Опасными для ГПК местами являются винты крепления элементов, острые выступы корпуса и пр. Крепление ГПК производят скобами-план- ками, с помощью отверстий со скругленными кромками, выполненных не­посредственно в кабеле и нитками.

При подпайке жил ГПК с окончаниями в виде планарных выводов или контактных площадок с отверстиями, крепление лент ГПК осуществляют с помощью гаек и винтов с шайбами в предусмотренных в кабелях местах с отверстиями.

После подпайки жил ГПК с окончаниями в виде планарных выводов к разъемам места пайки заливают компаундом. Высота заливки должна быть на 2...3 мм выше длины хвостовика или края ленты ГПК.

Перед раскладкой ГПК в ЭА выполняют формовку (гибку) по конфи­гурации устройства в местах, обозначенных на самом ЩК знаками «■■» и *<>». Знак *<>* обозначает изгиб кабеля внутрь изолирующим слоем, а знак — наружу изолирующим слоем. Минимальный радиус изгибов при формовке должен быть 1 мм.

После“формовки ГПК, идущие по одной трассе, собирают и скрепляют.,.

Перепайку соединительных элементов к контактным площадкам мож­но выполнить не более 3 раз.

Маркировка. Маркировку на ГПК выполняют в строгом соответствии с маркировкой, нанесенной на ЭРИ, к которому подпаивают данный ГПК.

Контроль ГПК. В процессе изготовления ГПК проводят ~100%-ный контроль качества лужения контактных площадок и качества пайки при

4-кратном увеличении, а также проверку маркировки ГПК и мест их присоединения, отсутствия царапин, сколов, трещин, резких изгибов и надломов, формы изгибов и качества лужения, соответствия дайны кабе­лей, провисания или натяга.

2. Основные электрические, конструкторские и эксплуатационные параметры ГПК

Конструкция и материал ГПК зависит от электрических и конструктор­ских параметров, условий и режимов эксплуатации, условий производства.

Основными электрическими параметрами являются:

• волновое сопротивление цепей ГПК;

• емкость между цепями;

• индуктивность;

• быстродействие и пр.

Конструкторскими параметрами явлйются:

• ширина проводника;

• длина ГПК;

• расстояние между проводниками;

• массогабаритные характеристики;

• число слоев;

• толщина изоляционных слоев и пр.

К условиям эксплуатации относятся:

• климатические воздействия;

• механические воздействия;

• прочие воздействия.

Режимы эксплуатации:

• стационарный (перегибы ГПК только в процессе сборки);

• динамический (многочисленные постояннце или периодические воздействия напряжения изгиба в результате качающего, сочленяю­щего или скручивающего усилия);

Под условиями производства имеют в вицу воздействие агрес­сивных сред, воздействие высоких температур и пр.

3. Проектирование ГПК

При проектировании ГПК необходимо провести анализ электрической принципиальной схемы, которая должна быть дополнена следующей ин­формацией:

• назначение цепей, обозначение приемников и источников сигналов;

• уровни и диапазоны рабочих напряжений, токов и частот сигналов;

• значение допустимых уровней помех по напряжению, переходных сопротивлений в особо ответственных цепях.

Входные и выходные адреса цепей блоков и элементов схем прибора должны обеспечивать прямые связи соединения электрических цепей, группируя связи с учетом выполнения соединений лентами ГПК.

При проектировании электромонтажной схемы к ней предъявляется ряд требований:

• электрические цепи должны быть расположены без перекрещивания в плоскости одного кабеля, соединяющего блоки или ФУ, т. е. в электромонтажной схеме необходимо обеспечить прямые связи;

• слаботочные и сильноточные цепи должны находиться в разных ГПК; в случае если они находятся в одном ГПК, их необходимо кон­структивно разнести;

• токоведущие жилы ГПК необходимо располагать таким образом, чтобы при наложении двух ГПК сигнальные жилы одного ГПК рас­полагались напротив жил нулевого потенциала другого ГПК. Это от­носится к ГПК без экранов или с экранами с одной стороны;

• в слаботочных цепях сигнальные жилы должны чередоваться с жила­ми нулевого потенциала (общий провод, экран, корпус).

Методика проектирования ГПК. Рассмотрим ГПК, представляющий со­бой многослойную конструкцию (см. рис. 4.53), которая состоит из фоль­гированного диэлектрика (ПФ-1, ПФ-2); пленки полиимидной покрывной (ППП); пленки полиимидной клеевой (ПКС-171).

Проектирование ГПК включает проведение расчетов электрических, конструктивных и тепловых параметров.

Расчетными величинами параметров при проектировании ГПК явля­ются:

• активное сопротивление жилы R, Ом;

• волновое (характеристическое) сопротивление Z, Ом;

• ширина жилы W, мм;

• расстояние между жилами S, мм;

• ширина ленты ГПК Ь, мм;

• длина ленты ГПК /, мм;

• емкость единицщ длины жилы относительно цепи нулевого потен­циала С, пФ/см;

• емкость единицы длины между двумя сигнальными жилами одного ГПК или разных ГПК С,₂, пФ/см;

• индуктивность единицы длины жилы L, мкГн/см;

• индуктивность между двумя жилами L_n, мкГн/сМ;

• временная задержка прохождения сигнала по жилам Т₀, нс/м.

Исходные параметры для расчетов ГПК:

• условия эксплуатации;

• назначение цепей;

• уровни и диапазоны изменения напряжений, токов и частот сигна­лов, передающихся по цепи ЭА;

• значения допустимых уровней помех по напряжению;

»• электрические, механические и теплотехнические параметры фоль- гированных диэлектриков и изоляционных слоев, из которых состо­ит конструкция ГПК. ~

• температура окружающей среды й способы отдачи Теплоты, которую ГПК выделяет в окружающую среду.

В приведенной ниже методике расчета ГИК предполагается, что:

• минимально допустимая ширина жил W составляет не менее (0,3±0,05) мм;

• минимально допустимое расстояние между жилами S составляет не

менее (0,3+0,05) мм; -

• допустимая плотность тока в жилах ГПК в зависимости от их шири­ны определяют по табл. 4.44.

Таблица 4.44. Электрические характеристики ГПК

Ширина жилы W, мм	Допустимая плотность тока Д, А/мм^2	Максимально допустимый рабочий ток Imax? А
0,3...0,5 \	61	1
1,0	45	1,5
2,0...3,0	37	2,5...3,5

Расчет электрических параметров. Расчет электрических параметров включает определение:

• электрического сопротивления жилы;

• волнового сопротивления;

• емкостей;

• индуктивностей;

• падения напряжения на цепях ЭА, выполняемых ГПК. Электрическое сопротивление жилы ГПК определяют из условия мини­мального падения напряжения по цепям электромонтажа:

' >1

Л_ГПк^0,01Я„, (4.8)

ще /?_гпк — сопротивление жилы ГПК, Ом;

R_KCT — выходное сопротивление источника сигнала, Ом;

Я,, — входное сопротивление приемника сигнала .(нагрузки), Ом;

В зависимости от, падения напряжения сопротивление жилы ГПК оп­ределяют по формуле:

Дгпк^. (4.9)

Здесь A U — падение напряжения в жилах ГПК, В; / — ток в жилах ГПК, А. ГПК является элементом с распределенной емкостью.

Значение емкости жил ГПК определяют по следующим формулам:

• для синусоидальных сигналов

(4.10)

1

"ГПК

<0,1

2 n/R_H ’

где С_гпк — емкость жилы ГПК, Ф;

/ — частота синусоидального сигнала, Гц;

• для импульсных сигналов

<0,1

-ГПК

(4.11)

где т_инп — длительность импульса, с.

Волновое сопротивление ГПК выбирают из условия согласования источ­ника и приемника сигналов и определяют по формулам:

(4.12)

2гпк ^— -2L

2гпк — Z_u.

Здесь Z_rnK — волновое сопротивление цепей ГПК, Ом; Z_HeT — выходное, со­противление (генератора) источника сигнала, Ом; Z_H — входное сопротив­ление нагрузки (приемника) сигнала, Ом.

Индуктивность жилы ГПК определяют по следующим формулам:

• для синусоидальных сигналов

(4.13)

. 0,01Д_Н.

2. л/ ’

^гпк -

• (4.14)

  для импульсных сигналов

^тпк -0,01/?_Ht_F

Коэффициент уровня помехи Ку _П цепи электромонтажа, выполненного ГПК, рассчитывают по формулам:

(при /= const),

(4.15)

V s' ^пас У-п ^ тт

V mm

V s ^пас

^{у п} ~й~ ^w яь-г

где U_nac — напряжение,^наведенное в жилах (пассивных) ГПК на частоте/, В;

U_min — минимальное значение напряжения сигнала, передаваемого по жилам ГПК, В;

U_aKT — напряжение на получающей (активной) жиле ГПК на частоте/, В.

Коэффициент уровня помехи Ку _п по сигнальным цепям электромонта­жа задает разработчик ЭА и в зависимости от его значения определяют не­обходимость экранирования цепей электромонтажа.

Расчет конструктивных параметров. К конструктивным параметрам ГПК относятся:

• ширинаокил;

• расстояние между жилами;

• длина и ширина ГПК;

• размеры и форма контактных площадок. И

Ширину жил ГПК определяют в зависимости от тока, протекающего в жилах и допустимого падения напряжения на активном сопротивле­нии жил:

(4.16)

Д • 8

где 5 — толщина фольги, м; А — допустимая плотность тока.

Ширину жилы в зависимости от допустимого падения напряжения рас­считывают:

W> р--4г. (4.17)

8 AU ^У '

Здесь ДU — допустимое падение напряжения в цепях электромонтажа, В; р — удельное электрическое сопротивление медной фольги, Ом • м.

Ширину жилы W выбирают наибольшей в зависимости от условий, за­данных разработчиком ЭА.

Волновое сопротивление цепей ГПК, значение емкости между цепями ГПК обеспечивается расчетом расстояний между жилами в плоскости од­ного кабеля и толщиной изоляционного слоя между жилами ГПК и экра­нами. Ширина контактной площадки под планарные выводы должна быть на 0,2 мм больше ширины лепестков гребенки.

Расстояние между жилами ГПК определяют в зависимости от требуе­мой емкости между жилами, максимально допустимого и рабочего напря­жения между жилами, тепловой энергии, рассеиваемой жилами.

Расстояние между жилами S, мм, в зависимости от максимально воз­можного рабочего напряжения определяют по следующей формуле:

(4.18)

доп

где £/_{ра6 max} — максимально допустимое рабочее напряжение между жилами в ЭА, В;