Электропроводящие узоры: как работает печатная плата
Об истории появления плат и какие российские предприятия занимаются их производством
Найти сегодня электронное устройство без хотя бы небольшой печатной платы практически невозможно. Годом рождения печатных плат считается 1903 год, когда немецкий изобретатель Альберт Хансон подал заявку в патентное ведомство.
Предприятия Ростеха разрабатывают материалы и технологии для производства печатных плат, а также производят сами платы, которые широко применяются в промышленности. Например, Омский НИИ приборостроения недавно нарастил производственные мощности по выпуску печатных плат до 2500 м² в год.
Рассказываем об истории, устройстве и применении печатных плат.
Как появились печатные платы
Печатная плата − это элемент электроаппаратуры, передающий сигналы между электронными компонентами по своеобразным токопроводящим рисункам, а также выступающий основой для крепления этих компонентов. Печатные платы являются неотъемлемой частью практически всех электронных устройств за исключением самых простых продуктов.
В современном виде платы существуют с 1960-х годов, когда они стали элементами калькуляторов, кассовых аппаратов и других простых устройств с электрическими цепями. Однако история их началась гораздо раньше.
В 1903 году немецкий изобретатель Альберт Хансон подал первый патент на устройство для использования в телефонных системах, похожее на печатную плату. Оно представляло собой плоский проводник для многослойной изолирующей платы. Плата имела конструкцию со сквозными отверстиями и проводники с обеих сторон, как бывает и в современных печатных платах. Однако мир еще не был готов к новой технологии, и он ней забыли почти на 40 лет.
В 1941 году радиотехник Пауль Эйслер в Великобритании занимался кустарной сборкой радиоприемников и искал способы ускорить процесс. Нужно понимать, что в это время радиотехника собиралась методом навесного монтажа, когда множество элементов – батареи, лампы, резисторы и т.д. – крепились на деревянном или металлическом шасси и соединялись большим количеством проводов. Эйслер придумал способ объединить несущую и проводящую функции. Опыт работы в полиграфии подсказал ему решение: рисовать электрическую схему на подложке из медной фольги и затем прикреплять на нее элементы приемника.
Добавив в процесс трафареты и печать, подобные платы можно было тиражировать достаточно быстро и в больших количествах. Технологию взяли на вооружение военные, а бурный рост электрорадиотехники в США 1950-60-х гг. способствовал распространению печатных плат. По сути этот метод используется и сегодня.
Холодная война и космическая гонка между СССР и США подстегнули развитие печатных плат, но больше всего платы повлияли на компьютеры. Если первые вычислительные машины 1940-50-х гг. представляли собой громоздкие шкафы с навесным монтажом и бесконечными проводами, то с появлением транзисторов и печатных плат компьютеры стали компактнее и доступнее.
Развитие компьютерной техники диктовало новые требования к платам, они становились многослойными и более сложными, а для их проектирования потребовалось специальное программное обеспечение. С появлением мобильных устройств платы стали еще миниатюрнее, а значит, сложнее в разработке и изготовлении.
Как устроена печатная плата
Для описания устройства печатной платы прекрасно подходит образ города, где проводники и компоненты образуют сложную сеть, позволяющую устройству работать.
Фундаментом для этого мегаполиса служит основание платы – пластина из электроизоляционного пластика или другого материала, прочного и способного выдерживать высокие температуры. Например, ЦНИТИ «Техномаш» в составе холдинга «Росэлектроника» недавно разработал материал-диэлектрик для печатных плат, обладающий термической стабильностью до +450 °С и устойчивый к химическим воздействиям и влаге.
Дороги на плане города, служащие для коммуникации, – это проводящие ток медные узоры печатной платы. Места соединения дорожек – это городские перекрестки. Дороги ведут к домам – закрепленным на плате микрочипам, резисторам и другим компонентам платы. Зеленые газоны города − изолирующий слой, предотвращающий короткое замыкание между проводниками. На плате есть маркировки, своеобразные дорожные знаки, облегчающие монтаж и обслуживание.
Печатные платы бывают однослойными, двухслойными, многослойными (слоев могут быть десятки) и даже гибкими. Платы делятся по классам точности, которых всего выделяют семь.
Как и где изготавливают печатные платы
Как же изготавливаются платы? Сначала инженер-конструктор согласно техническому заданию составляет принципиальную электрическую схему за компьютером в системе проектирования. Далее существует два метода производства печатных плат: аддитивный и субтрактивный. Первый предполагает нанесение медного слоя на подготовленную маску химическим способом. Во втором случае узор, наоборот, получается удалением лишних частиц меди. Затем после множества других процедур на плате размещаются электронные компоненты – вручную или автоматически.
Для проверки печатной платы используются осциллограф и источники питания, иногда для контроля качества применяется микроскоп. В Омском НИИ приборостроения холдинга «Росэлектроника», где недавно нарастили мощности по производству двуслойных плат до 2500 м² в год, качество изделий проверяется установкой электроконтроля и автоматической оптической инспекцией, что существенно снижает влияние человеческого фактора.
Конструкция печатной платы включает в себя сложные детали, но сборку и производство печатных плат можно реализовать по шаблону. Поскольку печатные платы состоят из смонтированных компонентов, их массовое производство представляет собой простой, относительно недорогой и, как правило, безошибочный процесс, особенно по сравнению с другими вариантами разводки.
В контуре Ростеха целый ряд предприятий занимается печатными платами, обеспечивая нужды Госкорпорации и выполняя работы для сторонних заказчиков. Например, НИЦЭВТ и ПО «Электроприбор», входящие в «Росэлектронику», изготавливают двусторонние и многослойные печатные платы высокого класса точности. БПО «Прогресс» (входит в концерн «Автоматика» холдинга «Росэлектроника») производит монтаж компонентов на печатные платы для отечественных ноутбуков, компьютеров и умных домофонов. А печатные платы Государственного Рязанского приборного завода (КРЭТ) были отмечены на конкурсе «Всероссийская Марка (III тысячелетие). Знак качества XXI века».
В текущих условиях спрос на отечественные печатные платы, а также на материалы и технологии для их производства продолжает расти. Предприятия Ростеха активно участвуют в процессе импортозамещения иностранных материалов и компонентов, выпуская печатные платы для оборонной и гражданской промышленности России.