Способ формирования объемного рисунка межсоединений

Изобретение относится к области получения объемной топологии электропроводных и оптоволоконных межсоединений в ткани, в сетчатых подложках, в масштабируемых сетчатых подложках, и может быть использовано в электротехнической, электронной, микроэлектронной и радиотехнической промышленности при производстве электрощитов, монтажных плат и при изготовлении их прототипов.

Существует способ навесного объемного монтажа схем, при котором расположенные на изолирующем шасси элементы соединяют друг с другом проводами или непосредственно выводами. Недостаток навесного монтажа - плохо поддается автоматизации, его преимущественно выполняют вручную. В настоящее время в массовом производстве способ навесного объемного монтажа применяют только при монтаже крупногабаритных компонентов.

Существует способ монтажа ОСТ 107.680244.001-87. Изготовление печатных плат с односторонним проводным электромонтажом стежковым методом для радиоэлектронных средств. Соболев С.Ф. Типовые технологические процессы. Технология электромонтажа УДК 65.015.13).

Проводные платы, в которых межсоединения выполнены проводом в изоляции (патент РФ №2176857). Выводы компонентов соединяют изолированным проводом, прошивают петли провода в отверстия подложки, расположенные вблизи контактных площадок. Для прошивки используют полую иглу, в отверстии которой находится провод. Петли соединяют с печатными контактными площадками, получают объемный рисунок межсоединений «от вывода к выводу». Этот способ успешно используют в опытном и мелкосерийном производстве помехоустойчивых плат. Недостаток стежкового монтажа - низкая производительность, наличие петель. Брак из-за обрыва провода во время прошивки следующих отверстий.

Существуют печатные способы формирования многоуровнего рисунка межсоединений в многослойных печатных платах. В субтрактивных методах рисунок электрической схемы формируется путем удаления ненужных фрагментов фольги травлением. Принципиальный недостаток абсолютно всех технологий травления заключается в том, что травление идет не только в желаемом направлении (по направлению к поверхности диэлектрика), но и в нежелательном, поперечном, направлении. В многослойных печатных платах очень важно обеспечить высокий уровень сопротивления изоляции между питающими слоями и пронизывающими их металлизированными переходными отверстиями. С учетом этого полимеризационное наполнение может осуществляться на стадии, предшествующей металлизации этих отверстий. При этом «усиление» диэлектрической подложки происходит вновь избирательно в кольцевых зонах вокруг переходных отверстий - именно там, где это больше всего нужно. Микроминиатюризация элементной базы привела к тому, что печатные платы изменились не только внешне, но и внутренне. При контроле качества проводники печатных плат и зазоры между ними приходится рассматривать уже под микроскопом. Произошли и серьезные внутренние изменения. Появление элементной базы BGA в микрокорпусах с малым шагом выводов потребовало создания высокоплотных многослойных печатных плат (high density printed circuit). В конструкциях печатных плат появились глухие микропереходы (bliend microvia), внутренние или скрытые микропереходы (buriend microvia), скрытые сквозные металлизированные отверстия. Глухие микропереходы выполняют между наружным и ближайшими внутренними (перераспределительными) слоями, а скрытые микропереходы и скрытые сквозные отверстия - между внутренними слоями многослойных печатных плат. Для изготовления высокоинтегрированных многослойных печатных плат используют технологию наращивания (built-up technology). Эта технология является комбинацией методов металлизации сквозных отверстий и послойного наращивания. Основа этой технологии - изготовление многослойной печатной платы и наращивание на нее последовательности слоев с микропереходами. Так, структура «2+4+2» означает, что на основу (4-слойную печатную плату) с обеих сторон наращивают по два слоя с микропереходами. Применение элементов поверхностного монтажа (SMD-компонентов) позволило уменьшить толщину печатных узлов и тем самым уменьшить габариты изделий электронной техники. В основе большей части технологий изготовления печатных плат лежат так называемые «мокрые» процессы (нанесение гальванических покрытий, нанесение химических покрытий, травление и др.). В большинстве своем это очень сложные нестационарные химические процессы. Технологические параметры (в первую очередь концентрации полезных и вредных составляющих растворов) изменяются во времени и очень быстро. Особенно это характерно для процессов химической металлизации, основа которых - окислительно-восстановительные реакции. Следовательно, необходим постоянный контроль технологических растворов по множеству параметров и постоянная их корректировка.

Существует способ сборки устройства и система для облегчения соединения кабелей связи патент США US 20120275743, где раскрыт способ сборки и системы устройства для облегчения укладки кабеля связи в отверстия опорной конструкции.

Существует объемная (3D) печать. Принтеры, способные производить многослойную печать специальными полимерами, уже существуют и используются для производства прототипов новых устройств.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является монтажная плата с электрическими и оптическими межсоединениями по заявке №2012119305 (дата публикации заявки: 10.11.2013, бюл. №31). Провода межсоединений прошиты в ячейки сетки, которая является подложкой платы. Один конец провода межсоединения сети прошит в ячейку подложки, которая расположена вблизи вывода компонента или в пределах контактной площадки для вывода компонента, а другой конец - в узел сети, такие же концы других проводов межсоединений этой сети соединены между собой, образуют узел этой сети и изолированы от межсоединений других сетей. Способ изготовления состоит в том, что первоначально перед прошивкой проводов межсоединений линейные размеры ячеек подложки увеличивают, затем последовательно прошивают каждый провод межсоединения при помощи полой иглы, в которой находится провод или оптоволокно. В соответствии с таблицей соединений на станке с ЧПУ прошивают первый конец провода межсоединения в первую ячейку, затем вытягивают провод или оптоволокно и прошивают второй конец в ячейку, которая входит в группу ячеек узла сети. Повторяют процесс для всех межсоединений этой сети. Повторяют процесс для межсоединений других сетей. После прошивки проводов всех межсоединений уменьшают линейные размеры ячеек подложки до проектных. Недостатком способа является низкая производительность последовательных операций, трудоемкость прошивки и утягивания до проектных размеров платы, а также малая тиражность.

Необходимо отметить, что существенным отличием предлагаемого способа формирования объемного рисунка межсоединений от способа по заявке №2012119305 является отсутствие петель.

Другим близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является тканая монтажная плата и способ ее изготовления по заявке №2012120675 от 11.05.2012 г. Характеризуется наличием подложки из пачки сеток, провода межсоединений прошивают в предварительно совмещенные ячейки всех сеток подложки насквозь с одной стороны на другую. Достоинством способа является прямолинейность и повторяемость хода полой иглы через совмещенные ячейки и возможность производить трассировку по любой топологии. Недостатком является сложность механизма устройства совмещения ячеек для прошивки при большом количестве межсоединений и трассировочных сеток и также малая тиражность.

Приведенные выше способы не предусматривают групповую прошивку проводников межсоединений.

В предложенном техническом решении только один конец провода межсоединения присоединяется к выводу компонента или его контактной площадке. Петли в районе контактной площадки вывода компонента не образуются, поскольку после прошивки второго конца провода межсоединения в ячейку узла провод обрезают, что положительно влияет на качество изготовления.

Любая принципиальная (электрическая, электронная, оптическая и т. п.) схема, реализованная в виде монтажной конструкции (платы), состоит из набора компонентов с их выводами (входами, выходами), определенным образом связанных между собой соответствующими межсоединениями. Компонентами электронных схем могут быть резисторы, конденсаторы, транзисторы, логические элементы, микросхемы, разъемы и т. д. Связи, реализованные в виде межсоединений, в схеме соответствуют подаче сигналов (дискретного или аналогового типа) на выводы (или полюса) определенных компонентов. Для описания таких схем пользуются символикой теории множеств. Два и более выводов схемы считаются связанными, если они объединены одной электрической цепью.

Учитывая характер основных задач конструирования, рассматривают исходную электронную схему как некоторое множество элементов E={e₁, е₂,..., е_n}, соединенных между собой электрическими цепями из множества V={v₁, v₂, ..., v_m}. Такое представление называется схемой соединений или коммутационной схемой. Каждый компонент (элемент) схемы имеет некоторое множество соединительных выводов С={с₁, с₂,..., c_k}. Кроме выводов элементов в схеме присутствуют внешние выводы С₀, осуществляющие связь схемы, реализованной в виде монтажной платы (МП), с другими устройствами, принадлежащими элементу е₀.

При конструировании предлагаемой объемной топологи кроме указанных выше элементов принципиальной схемы вводят (синтезируют в САПР) множество новых элементов P={p₁, p₂, ...p_n} (общих точек соединения для вторых концов проводников межсоединений), отсутствующих на обычных принципиальных схемах.

Учитывая характер конструирования, предлагаемая объемная топология отличается тем, что первые концы всех проводников межсоединений соединяют только с выводами соответствующего множества элементов. В конструкцию объемной топологии вводят новое множество элементов конструкции - коммутационные точки, в которых объединяют вторые концы проводников межсоединений. Коммутационные точки размещают в свободных областях монтажной платы или за ее пределами. При этом выводы и проводники, принадлежащие различным цепям схемы, изолируют.

Кроме выводов элементов в схему и в конструкцию МП вводят все внешние выводы С₀, осуществляющие связь схемы объемной топологии, реализованной в виде монтажной платы, с другими устройствами.

Цепь (например электрическая) в предлагаемой плате отличается тем, что связывает через коммутационную точку два и более выводов в схеме, а к каждому выводу схемы (контактной площадке на монтажной плате) всегда присоединяют только один (первый конец провода межсоединения).

Совокупность выводов схемы называют комплексом, а число выводов в комплексе - размером комплекса или размером соответствующей цепи. Ясно, что существует взаимнооднозначное соответствие между множеством комплексов и множеством цепей схемы.

Характерной особенностью коммутационных схем, вызывающей в ряде случаев недоразумения при их описании, является присутствие в них цепей, соединяющих несколько элементов (выводов). Собственно схема в общем случае не задает конкретного способа реализации таких многоконцевых соединений: он должен быть определен в процессе решения основных задач конструирования.

Конструктивная реализация электрической цепи - монтажное соединение. Непосредственное соединение двух выводов - элементарное (монтажное) соединение.

Среди различных вариантов описания коммутационных схем наибольшей общностью и наглядностью обладает описание схемы в виде таблицы соединений (связей). Конструктивная реализация электрической цепи в предлагаемой плате - монтажное соединение, реализованное через дополнительный конструктивный элемент - общую точку (коммутационный узел цепи).

Непосредственное соединение двух выводов - элементарное (монтажное) соединение, также осуществляется через дополнительный конструктивный элемент - коммутационную точку цепи.

Среди различных вариантов описания коммутационных схем наибольшей общностью и наглядностью обладает описание схемы в виде таблицы соединений (связей). Таким образом, в таблице соединений должны присутствовать коммутационные точки для всех цепей, сетей, включая элементарные (соединение двух выводов). Кроме того, коммутационные точки должны иметь определенные координаты X_ni Y_ni Z_ni на монтажной плате или за ее пределами и конкретную конструкцию. Такое представление используется в САПР (например, Proteus) и при выполнении проводного монтажа на оборудовании разводки, трассировки (станках с ЧПУ) используется как инструкция.

Формируют таблицу связей в соответствии с принципиальной или монтажной схемой. вводят дополнительные конструктивные элементы - точки и пучки. Осуществляют прошивку первых концов отрезков проволоки, оптоволокон в точках будущих контактов с выводами компонентов, в соответствии с таблицей связей. Собирают вторые концы отрезков в точке в пучок, соединяют их между собой сваркой, пайкой, склеиванием и т. п. и изолируют. Получают объемную топологию электропроводных и оптоволоконных межсоединений с преимущественно прямолинейными связями без изготовления шаблонов и использования процессов литографии.

Способ формирования объемного рисунка межсоединений групповой последовательной прошивкой заключается в том, что:

1) в системе автоматизированного проектирования создают утилиту для модификации принципиальной или монтажной схемы устройства с дополнительными элементами – коммутационными точками цепей,

2) создают таблицу связей принципиальной или монтажной схемы с дополнительными элементами - коммутационными точками цепей,

3) создают чертеж платы с координатами точек контактных площадок выводов компонентов и контактных площадок коммутационных точек цепей,

4) для каждой цепи изготавливают матрицу с полыми иглами в координатах точек контактных площадок выводов компонентов цепи,

5) с катушек проводят первые концы проводников межсоединений – проволоки или оптоволокна в отверстия полых игл матрицы, прошивают их полыми иглами матрицы и фиксируют на поверхности сетчатой подложки в точках контактов с выводами компонентов цепи,

6) вытягивают проводники межсоединений с катушек на требуемую длину и собирают в пучок, сваривают в коммутационной точке цепи, соединяя вторые концы проводников межсоединений цепи в пучке между собой,

7) обрезают и изолируют вторые концы проводников межсоединений в пучке,

повторяют операции 5)-7) для каждой цепи.

Технический результат

Создание способа, обеспечивающего простоту изготовления объемного рисунка межсоединений максимальной плотности, с высокой помехоустойчивостью и электромагнитной совместимостью, исключающих короткие замыкания и обрывы, образование петель на концах отрезков, без использования шаблонов, литографических процессов, сверления основных отверстий.

Обеспечивает:

- простоту проектирования, изготовления и контроля качества;

* использование в качестве межсоединений проволоки любого сечения,
микро- и нанопроволоки в стеклянной и др. изоляции, оптических волокон.

* прямолинейные связи;

* максимальную плотность;

* высокие помехоустойчивость, электромагнитную совместимость, тепловые характеристики;

* гарантированную изоляцию;

* высокую точность;

* низкую себестоимость;

* 100% выход годных;

* ремонтопригодность;

* экологическую чистоту производства.

При использовании масштабируемых сетчатых подложек возможно применение инструмента прошивки любых габаритов.

Использование при формировании объемного рисунка межсоединений матриц с полыми иглами, в которые вставлены концы проволок от катушек, позволяет тиражировать копии изделия.

Технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными, не выявлено, что позволяет сделать выводы о соответствии заявленного технического решения критерию новизны.

Способ формирования объемного рисунка межсоединений допускает облучение, термохимическую, высокотемпературную обработку и обработку под давлением и в вакууме, пайку в любой среде, допускает формирование объемного 3D топологического рисунка групповой прошивкой. Возможно гибридное исполнение подложки с элементами печатных способов. Для обеспечения устойчивых временных характеристик передачи сигналов и их целостности возможно использование отрезков проводов межсоединений одинаковой длины.

Для проведения испытаний изготовлены опытные образцы подложек с встроенными межсоединениями из проволоки в изоляции и без нее из оптического волокна. На полученных образцах были получены высокие величины электрического сопротивления изоляции, минимальные зазоры 0,001 мм на длине более 2000 мм между электроизолированными участками.

Объемный 3D топологический рисунок межсоединений был сформирован ручным последовательным и групповым последовательным способом прошивки без использования трафаретов, шаблонов, литографии, нанесения резиста и травления.

Способ формирования объемного рисунка межсоединений может быть реализован как:

Последовательный (ручной или механизированный) способ формирования объемного рисунка межсоединений, заключающийся в том, что прошивают полыми иглами с проволокой первые концы отрезков и фиксируют их в точках с координатами выводов компонентов, контактных площадок, на поверхности подложки формируют пучок цепи, соединяют между собой вторые концы отрезков, изолируют, повторяют процесс для других цепей.

Групповой (ручной механизированный или автоматизированный) способ формирования объемного рисунка межсоединений, заключающийся в том, что прошивают первые концы отрезков и фиксируют их в точках с координатами выводов компонентов, контактных площадок, на поверхности подложки с помощью матриц с полыми иглами для каждой цепи вытягивают проволоки, связывают их в пучок, сваривают в одной точке вместе, обрезают, изолируют, повторяют процесс для других цепей.

Источники информации

1. Медведев A.M. Печатные платы. Конструкции и материалы. - М.: Техносфера, 2005.

2. Из истории технологий печатных плат. Электроника: НТБ, 2004, №5.

3. Новинки электронной техники. Фирма Intel возвещает эру трехмерных транзисторов. Альтернатива традиционным планарным приборам // Электроника-НТБ, 2002, №6.

4. Истинно трехмерные микросхемы - первое приближение // Компоненты и технологии, 2004, №4.

5. Крюгер Е., Новотни М. Жестко-гибкие печатные платы: гибкое решение // Печатный монтаж, 2006, №2.

6. Мокеев М.Н., Лапин М.С. Технологические процессы и системы производства тканых монтажных плат и шлейфов. - Л.: ЛДНТП, 1988.

7. Володарский О. Мне идет этот компьютер? Электроника, вплетенная в ткань, становится модной // Электроника: НТБ, 2003, №8.

8. Медведев A.M. Технология производства печатных плат. - М.: Техносфера, 2005.

9. Медведев A.M. Импульсная металлизация печатных плат // Компоненты и технологии.

10. http://www.urazaev.narod.ru

11. Уразаев В.Г. Влагозащита печатных узлов. - М.: Техносфера, 2006.

12. http://lmis2.epfl.ch/articles/pdt/16.pdf

13. Ляйзинг Г., Штар И. Тенденции развития печатных плат // Компоненты и технологии. Приложение: Технологии в электронной промышленности, 2005, №5.