Чтобы сегодня найти работающее от электричества устройство без печатной платы внутри, придётся постараться. Они стали основой буквально всего, что сложнее выключателей. Да и в них уже печатные платы не редкость. Трудно представить, что начало такому разнообразию технологий положил талантливый инженер, бежавший от режима и поначалу стремившийся оптимизировать сборку радиоприемников в своей кустарной мастерской.
Уроженец Вены, Пауль Эйслер, с юности испытывал особую страсть к радиотехнике, но не мог реализовать её на своей родине. К середине 1930-х под влиянием стремительно радикализирующейся Германии Австрия закрывала для лиц еврейского происхождения многие перспективные профессии в области высоких технологий. Поэтому Эйслер трудился в не привлекающей внимания нацистов печатной индустрии, а точнее — на литографическом производстве. Именно этот опыт и помог ему создать революционное изобретение позднее, когда он бежал в Англию в 1936 году.
Британское правительство отнеслось к мигранту без особого радушия, и он остался без разрешения на работу. Чтобы не сгинуть в нищете, Эйслер начал собирать радиоприёмники на продажу у себя дома. Несмотря на простоту схемы — всего пара-тройка ламп, столько же резисторов, катушка и динамик, — процесс был трудоёмким. В те времена иных способов монтажа электронных компонентов, кроме навесного, не существовало. А значит, на некотором шасси, как правило деревянном или жестяном, нужно было закрепить все основные элементы и цоколи под лампы, а затем проводами их соединить в электрическую схему.
Для повышения производительности своего труда Эйслер придумал, как избавиться от проводов и объединить эти две функции — несущую и соединяющую. Он воспользовался приёмами литографического дела: на изолирующую подложку клеил медную фольгу, рисовал на ней электрическую схему устойчивой к травлению краской и стравливал лишний металл. Оставалось только припаять к получившимся дорожкам все необходимые составляющие устройства. Теперь времени на сборку уходило намного меньше.
Почему плата печатная и зачем она нужна
Фактически созданный Эйслером принцип применяется в производстве простых печатных плат и до сих пор. Это и есть суть субтрактивного метода. Достаточно один раз создать трафарет токопроводящих дорожек и затем переносить его рисунок стойкой к раствору-травителю краской на любое количество заготовок — то есть отпечатывать. Аналогичным образом в XV веке типографский станок произвел революцию в обмене информацией. Проще говоря, изобретение Эйслера открывало дорогу к массовому производству идентичных изделий. Как раз то, что требовалось в межвоенный период, когда произошел бум радио и спрос на приёмники рос лавинообразно каждый год.
Оценить масштабы и темпы развития зарождающейся в то время индустрии бытовой микроэлектроники позволяют такие цифры: с 1922 по 1929 годы одни только американцы потратили на бытовые радиоприёмники 3,4 миллиарда долларов, их количество выросло с 60 тысяч в 1921-м до 12 миллионов в 1930-м. Учитывая инфляцию до 1974 года, этого хватило бы на 24 космических программы «Аполлон». По радио передавали новости, спортивные события, серьёзные театральные постановки, детективные истории, мыльные оперы, развлекательные шоу — почти все, что сейчас можно увидеть по телевизору или в интернете, имело соответствующего предшественника в эфире.
Помимо технологичности и масштабируемости производства, печатные платы позволяли переложить на них ещё одну роль — конструкционную. Электронные компоненты могли крепиться прямо на электрическую схему — рисунок проводников, перенесённый на плату. Таким образом устранялись сразу несколько технологических этапов производства изделий: от изготовления шасси (несущих конструкций внутри корпуса устройства) до монтажа на нём всей «начинки». И здесь Эйслер опередил время. Уже устоявшийся статус-кво в индустрии было невыгодно изменять — проще модернизировать имеющиеся технологические процессы, чем радикально их перестраивать на более совершенные.
Поэтому вплоть до конца 1960-х большая часть бытовых радиоприёмников и телевизоров по-прежнему производились с использованием навесного монтажа. Их принципиальные схемы были сравнительно простыми, а применяемые компоненты — дешевыми и крупными. Другое дело — военные и учёные. Именно они за счет спроса на вычислительную технику и узкоспециализированную электронику придали колоссальный импульс развитию печатных плат.
От радиовзрывателя к микросхеме
У печатных плат было ещё одно важное преимущество перед навесным монтажом. Помимо объединения функций шасси с проводкой и легкости в тиражировании, они позволяли делать более компактные устройства. И во время Второй мировой войны США и Великобритания как раз пытались сделать феноменально плотную компоновку электронных компонентов. Им требовалось уместить радар со всей электронной обвязкой во взрыватель для артиллерийского снаряда.
Концепция хорошо себя показала на испытаниях с низкоскоростными боеприпасами — ракетами. А вот со снарядами успеха не было. В их взрывателе и места меньше, и перегрузки выше — до 50 тысяч G. Компоненты массой в считаные граммы во время выстрела приобретали вес в десятки килограммов. Тут-то и пригодился патент Эйслера. Используя самые маленькие (то есть лёгкие) из существующих на рынке ламп, инженеры уместили на печатной плате диаметром всего в несколько сантиметров схему приёмопередатчика, полосового фильтра и усилителя. Плотная компоновка и заливка смолой обеспечивали устойчивость к перегрузкам и вибрациям.
Проект по созданию радиовзрывателей охранялся так же строго, как и создание атомной бомбы. Но после войны часть его инноваций рассекретили. Среди прочих — усовершенствованный вариант технологического процесса, который создал Эйслер. Смысла держать его в тайне было мало — и так каждая американская компания в отрасли успела с ним познакомиться на практике. Аналогичная ситуация сложилась в Великобритании, даже несмотря на приоритет патента Эйслера. Печатные платы менее чем через пять лет после своего второго рождения стали тривиальной технологией.
Вторая мировая война показала не только востребованность радиооборудования (передатчиков, приёмников и радаров), но и огромную пользу вычислительных машин. Первые компьютеры строились на реле и лампах — компонентах крайне неэффективных и медленных. Они потребляли колоссальное количество электроэнергии, а вычисления занимали часы или дни. Но даже в таком виде компьютеры стали незаменимыми для задач статистики (государственное управление) и решения сложнейших как теоретических, так и прикладных физико-математических задач (фундаментальные исследования, космонавтика, военные разработки).
Над заменой вакуумным лампам работали по обе стороны Атлантики. В 1947 году инженеры Bell Laboratories Уильям Шокли (William Bradford Shockley Jr.), Джон Бардин (John Bardeen) и Уолтер Браттейн (Walter Houser Brattain) создали первый рабочий прототип транзистора. Аналогичные работы велись в Европе, но американская команда оказалась быстрее. Как только транзисторы появляются в виде коммерческих изделий, они стремительно начинают заменять лампы.
Радикально более компактные электронные компоненты отныне не требовали отдельного шасси для размещения. Печатная плата могла выполнять эту функцию. Кроме того, на одной и той же площади теперь умещалось гораздо больше элементов, которые объединялись в электрическую цепь. В наиболее высокотехнологичных устройствах находят применение двухсторонние платы — они имеют рисунок токопроводящих дорожек на обеих сторонах. Поначалу для связи между слоями используются перемычки, но почти сразу появляются металлизированные переходные отверстия. Одно из первых подобных решений патентует корпорация Hazeltine в 1963 году.
С появлением транзисторных компьютеров они становятся доступны не только высокоприоритетным государственным учреждениям. Вычислительная техника, помимо военных и самых богатых научных организаций, приходит в университеты и, что самое главное, исследовательские подразделения коммерческих компаний. Компьютеры превращаются в незаменимый инструмент для самых разных отраслей человеческой деятельности. Там, где сотни инженеров и тысячи людей-калькуляторов трудились месяцами, теперь за считаные часы справляется машина — а значит, растёт спрос на компьютеры.
Вслед за транзистором начинают править бал микросхемы. Это новшество изобрёл инженер Texas Instruments Джек Килби (Jack Kilby) в 1958 году. А менее чем через год Роберт Нойс (Robert Norton Noyce) из Fairchild Semiconductor разработал микросхему (чип, интегральную схему), созданную по планарному процессу. Работа Килби имела фундаментальное значение, но по своему устройству все современные чипы ведут родословную именно от детища Нойса — его вариант был практичнее. Микросхемы сразу нашли применение в компьютерах, особенно космических и военных. С 1961 по 1965 годы NASA было крупнейшим потребителем микросхем на мировом рынке.
Миниатюризация электронных компонентов поставила перед разработчиками печатных плат сразу несколько новых сложностей. Во-первых, даже двух слоев (сторон) хватало далеко не всегда — либо платы становились непрактично большими. А во-вторых, сложность плат возросла настолько, что вручную их проектировать и масштабировать становилось слишком дорого. Малейшая ошибка в схеме оборачивалась бракованной партией. Первую проблему решали многослойные платы, вторую — специализированное программное обеспечение для моделирования электроники.
Гибкие и гибко-жёсткие печатные платы
Одним из направлений развития печатных плат были и остаются гибкие и гибко-жёсткие. Эта технология позволяет создать эквивалент нескольких печатных плат, уложенных в некую объемную структуру и соединенных друг с другом. Но соединённых не через разъём — потенциальную точку отказа и дополнительный источник возможных помех, — а шлейфом из неразрывных дорожек самой платы на гибкой основе. Исторически первыми такие платы потребовались военным и в космонавтике, а позднее, ближе к 1990-м, они пришли и в массовую миниатюрную электронику.
Разработка и производство гибких и гибко-жёстких плат принципиально не отличаются от обычных, однако для их изготовления нужны другие материалы. Они как раз и вызывают сложности. Гибкую основу труднее без повреждений провести по всем этапам технологического процесса. Кроме того, сами материалы дороже — это полиимид вместо текстолита и специальный наполнитель между слоями (адгезивная пленка), сохраняющий эластичность после отвердевания, чтобы при изгибе конструкция не трескалась.
При этом гибкие и гибко-жёсткие платы обладают рядом преимуществ перед жёсткими: они более устойчивы к вибрациям, перепадам температур и могут быть компактнее, а также принимать в пространстве сложные формы. Поэтому они широко применяются там, где их более высокая стоимость не является проблемой, а достоинства становятся критически важными: космическая электроника, медицинские устройства, промышленное оборудование для сложных условий (например, буровая техника).
Слои, программы, маски
Примерно к середине 1970-х, пожалуй, каждый радиолюбитель умел самостоятельно монтировать печатную плату. И купить для них заготовку в ближайшем магазине электроники не было проблемой. Это симптом поистине массового принятия технологии. Печатные платы появились везде. В бытовых устройствах они используются даже там, где значительная часть компонентов по-прежнему крепится навесным монтажом — настолько дешевле стало их применение. Микросхемы привели вычислительную технику в частные дома и квартиры — в 1977 году на рынок выходят одновременно три персональных компьютера: Commodore PET 2001, Apple II и TRS-80 Model I. И даже в карманы — калькулятор HP-35, 1972 год.
До начала 1980-х за очень редким исключением разработка электроники почти не изменялась и была изнурительным ручным трудом. Все схемы чертили от руки, отдельно для каждого слоя. К тому времени печатные платы не просто становились повсеместно востребованными, они становились все более сложными. Ответом на этот вызов стала… компьютеризация разработки печатных плат.
Поначалу ПО для проектирования плат в целом создавалось в исследовательских целях или компаниями-производителями электроники самостоятельно. Это были узкоспециализированные закрытые программы, не универсальные. Пока одна организация занималась разработкой и печатных плат, и конечного изделия на их основе, серьёзных проблем не возникало. Но как только продукт требовал участия нескольких компаний, возникал хаос — приходилось либо с нуля писать конвертеры и «программы-посредники», либо возвращаться к истокам с кульманом и черчением от руки.
В начале 1980-х появляется сразу несколько коммерческих решений в классе автоматизации проектирования электронных устройств (Electronic Design Automation, EDA). Именно тогда родились легендарный P-CAD, пакеты разработки ECAD (Dracula). Не остались в стороне и три первопроходца компьютеризированного проектирования (CAD): Mentor Graphics (ныне принадлежит Siemens), Daisy Systems (поглощена Mentor) и Valid Logic Systems (поглощена Cadence). Создание EDA косвенно или напрямую стимулировали многие игроки рынка на самых разных уровнях — это было одновременно в интересах и компаний-разработчиков электроники, и непосредственно ее производителей.
Развитие ПО для проектирования и предварительного тестирования созданной схемы потребовало создания способов хранения и передачи описаний плат в электронном виде. Так появился формат Gerber. На первых порах, в 1980 году, это был лишь способ цифровой записи цепочки команд для фотоплоттеров, которые использовались в числе прочего и для печати трафаретов плат. Со временем в Gerber добавили возможность хранения всей необходимой для производства платы информации: от разводки дорожек и расположения всех электронных компонентов до зон нанесения паяльной маски и толщины слоев. Формат завоевал широчайшую популярность, и до сих пор его более продвинутые версии являются стандартом де-факто в разработке печатных плат.
На сегодняшний день существует великое множество EDA: от программ, позволяющих даже любителю подготовить схему сравнительно сложной печатной платы с автоматической разводкой дорожек, до мощных комплексов для профессионалов, учитывающих все нюансы конкретной базы используемых компонентов и тонкости требуемых технологических процессов. А в дополнение к Gerber набирает популярность формат ODB++, представляющий собой не схемы отдельных слоев, а полноценную базу данных, содержащую все сведения для производства платы, включая взаимосвязи между слоями, технологические допуски и атрибуты каждой площадки на плате. Общий вектор развития EDA — наращивание функционала. Современные инструменты становятся всё более продвинутыми, т. к. по мере усложнения электроники растет количество факторов, которые необходимо учитывать и глубоко контролировать уже на этапе проектирования.
«До определенного периода, примерно до 1980-х, существовали узкоспециализированные программные решения. Допустим, условный Intel разрабатывал платы под свои чипы в ПО собственной разработки, условный Texas Instruments делал то же самое в своем ПО. Если возникала необходимость применять в одном продукте компоненты разных производителей и схемы разного дизайна — возникала серьезная проблема согласования сред разработки, стандартов и техпроцессов.
Потребность в унификации ПО росла, развивались персональные компьютеры, возрастала их производительность. Уже к началу 1990-х мы работали в P-CAD и создавали платы вне зависимости от вендора компонентов и завода, который их будет печатать. Сейчас в нашем арсенале есть мощнейшие Cadence Allegro и Siemens (ранее — Mentor Graphics) Xpedition.
С их помощью работа строится следующим образом. Инженер получает техническое задание на плату, описание задач, которые она будет выполнять, какие компоненты необходимо монтировать и в какие параметры она должна уместиться (цена, размеры). Сначала инженер создает принципиальную электрическую схему, которая содержит перечень элементов, список цепей и соединений, а также ограничений, необходимых для создания проводящего рисунка (топологии) печатной платы. После чего он последовательно разрабатывает посадочные места компонентов, планирует их размещение на печатной плате, определяет топологию и проводит предтопологическое моделирование. Затем переходит уже непосредственно к созданию топологии, проведению проверок DFM/DFA/DFT, посттопологическому моделированию.
От инженера-конструктора печатных плат требуется внимательность, усидчивость и вместе с этим скорость работы. Поэтому необходимо уверенно владеть инструментами проектирования и понимать их возможности: как минимум на базовом уровне владеть системами моделирования, инструментами подготовки плат к производству, разбираться в основах производства, хорошо понимать теорию целостности сигналов и питания. После того как цифровой «чертеж» платы готов, её отправляют в другой класс ПО — CAM (Computer Assisted Manufacturing, — прим. ред.). Эти системы, уже на заводе, делают плату технологичной, формируют программы фрезерования, сверления, производят ремонты топологии и добавляют на элементы схемы компенсацию на подтрав», — инженер по подготовке производства печатных плат, эксперт по CAM обработке Евгений Дыбошин.
В производстве ответом на миниатюризацию электронных компонентов становятся многослойные платы. Микросхемы занимают намного меньше места, чем то же количество отдельных транзисторов, но у них больше выводов на единицу площади. Следовательно, возрастает требуемое количество соединений. Для связи между слоями используются не только сквозные переходные отверстия, но и глухие или погребённые — они проходят не через всю плату насквозь, а лишь через часть её слоев. Кроме того, возросшая плотность компоновки требует модернизации технологических процессов или разработки новых.
Чтобы уместить на той же площади больше дорожек, их логично делать более узкими. Но уменьшать ширину дорожек и увеличивать плотность их размещения до бесконечности нельзя. Поэтому выполнение требований современных конструкций печатных плат в большой мере зависит от значительного усовершенствования химических составов, материалов и процессов.
Распространение компактных корпусов микросхем — сначала SOIC, а затем всё более сложных — сделали поверхностный монтаж востребованным в массовом производстве печатных плат. А он, в свою очередь, был бы невозможен без паяльных масок, специальных покрытий, защищающих дорожки от замыкания при пайке.
Невообразимая сложность бытия
На дворе начало 1990-х, компьютеры везде, они становятся меньше, дешевле и мощнее. Буквально каждая профессия если ещё не уже, то в ближайшее время попадет под неизбежную зависимость от информационных технологий. Персональная вычислительная техника повышает производительность практически любого труда. Производители компьютеров стремятся сделать их еще дешевле и экономичнее, чтобы удовлетворить спрос и требования практичности.
А производители печатных плат, в свою очередь, сталкиваются с трудностями, которые до этого встречались лишь в сложнейших специализированных устройствах. Даже сравнительно простые платы уже сейчас необходимо проектировать с учетом комплексного сопротивления как всей цепи на ней, так и ее отдельных участков — импеданса. Кроме того, любой проводник излучает электромагнитное поле при протекании в нём тока и в то же время в нём возникают токи, индуцированные внешним электромагнитным излучением. В современных цифровых устройствах значения импульсных токов достаточно велики и в то же время уровни сигналов достаточно низкие, так что вопросы взаимного влияния цепей (перекрестных наводок или cross-talk) становятся всё более значимыми при проектировании.
Наконец, непосредственно в производстве понадобились новые техпроцессы, позволяющие контролировать более точно и сечение токопроводящих дорожек. Вся современная мобильная электроника требует плат, изготовленных по нормам высокочастотных изделий. Такие платы зачастую производятся по техпроцессам с донаращиванием дорожек (полуаддитивным, SAP и mSAP).
«Полуаддитивные процессы, востребованные для наиболее сложных печатных плат, — та область развития технологий производства печатных плат, в которую отечественная инженерная школа внесла вклад на мировом уровне. В Советском Союзе они применялись при изготовлении гибридных схем и полиимидных многослойных печатных плат. Их изготовление началось ещё в 1980-х, когда их трудно было назвать самыми востребованными для массового производства. Это был технологический задел для перспективного высокочастотного оборудования, которым наша страна, к сожалению, воспользоваться не успела.
Выход СССР на передовые позиции в разработке и производстве печатных плат произошел не сразу. Первые эксперименты с выпуском массовых изделий на основе печатных плат начались примерно тогда же, когда и в Германии — в первой половине 1950-х. Тем не менее еще два десятилетия преобладал навесной монтаж. Масштабный рывок произошел в 1976 году, когда для обеспечения страны потребительской электроникой на базе печатных плат стартовала специальная госпрограмма. Ввезли передовое оборудование из Германии, Швейцарии, США и Италии для производства многослойных печатных плат. Спустя несколько лет технологические процессы перевели на отечественные химические составы. Следующим этапом была разработка собственных станков и оборудования. Они не превосходили импортные по характеристикам, но позволяли рассчитывать только на свои силы, если понадобится.
Кроме того, такой подход — госпрограммы по закупке готовых производственных линий и технологических решений — позволили сразу освоить производство современных конструкций многослойных печатных плат и обеспечить коммутацию элементной базы с возрастающим количеством выводов. Перевооружение нескольких заводов (как новых, так и модернизации существующих) и попутная «локализация» расходных и базовых материалов (химия, стеклотекстолит и препреги, цельнотвердосплавный инструмент) позволили СССР выйти в лидеры по выпуску массовой электроники в мире. Для сравнения: один только завод в Вильнюсе с начала по середину 1980-х производил больше потребительской электроники по отдельным направлениям, чем вся Япония!
При этом шла большая теоретическая работа. Разрабатывались новые технологические процессы, материалы и химические составы. По большей части прорывные инновации были стимулированы ограничениями поставок с запада в СССР и планированием развития промышленности руководящими инстанциями. В первую очередь обеспечивался оборонный приоритет нашей страны. Их внедрению в производство массовых изделий помешала перестройка, которая затормозила модернизацию заводов», — генеральный директор ООО «Остек – СТ» Пётр Семёнов.
Люди будущего уже среди нас
Может показаться, что печатные платы уже стали сложнее некуда. Но прогресс не собирается останавливаться. Технологии, которые используются сейчас, имели задел задолго до их массового принятия. Полуаддитивные производственные процессы (SAP, mSAP) базируются на разработках 1980-х и 1990-х. Поверхностный монтаж впервые создавался еще в 1960-х и до широкого применения «лежал на полке» два десятилетия. Что уж говорить, тот же Эйслер обобщил опыт его предшественников за пару веков в литографии, а радиоинженеры экспериментировали с прообразами печатных плат почти за сорок лет до него.
Россия, а до неё Советский Союз, в деле производства микроэлектроники, неотъемлемой частью которой являются печатные платы, обладает мощной инженерной школой. Технологически наша страна в этой области не находилась на фронтире прогресса, но и радикально отстающей не была. Многие теоретические разработки если не опережали время, то были на уровне мировых. Например, полуаддитивный техпроцесс в СССР опробовали в 1980-х, едва ли не раньше аналогичных экспериментов в США и Германии.
Экспертиза и опыт российских специалистов, развитие отечественных инженерных компаний — всё это поможет решить задачу технологической устойчивости и суверенитета нашей страны. Для этого особенно важно организовывать и формировать ключевые процессы полностью внутри страны. На пути развития производственных площадок, адаптированных для массового выпуска современной электроники корпоративного класса, уже делаются важные шаги. Открыт крупнейший в России инновационный завод полного цикла YADRO Fab DUBNA. Появление подобных площадок задает высокую планку: современное производство должно быть организовано с учетом новых норм под использование передовых практик и подходов, а также рассчитано на обеспечение внутреннего спроса.
«Современный мир невозможно представить без многообразия сложных устройств и высоких технологий. Ежедневно они все сильнее меняют общество и образ жизни людей. Разобраться во всех нюансах порой сложно даже специалистам, поэтому мы активно делимся своей экспертизой. В том числе не так давно мы запустили просветительский проект „Истовый инженер“. В рамках этой инициативы мы хотим формировать более точное и развернутое представление о современных технологиях и инженерной культуре у самой широкой аудитории. Авторы наших материалов — ученые, предприниматели и, конечно, сами инженеры. А ещё у проекта есть канал в Telegram, где мы делимся подборками полезных материалов об истории техники и занимательными фактами из мира инженеров.
Печатные платы и электронные модули стали одной из больших тем, которой мы посвятили цикл материалов, в рамках которого последовательно раскрываем детали и тонкости каждого производственного этапа. Серия, которая у нас получилась, — это экскурс в производственные технологии как печатных плат, так и электронных сборок на их основе, методы управления и отслеживания производственных потоков в режиме массового производства, а также необходимые решения для достижения максимального качества», — заместитель директора производства (печатные платы) YADRO Екатерина Алясова.
Мы надеемся, что прикладные знания ведущих специалистов в этой области, которыми они делятся в статьях, интервью и лекциях проекта YADRO «Истовый инженер», будут интересны и полезны нашим читателям. А для кого-то, возможно, станут мостиком в новую сферу или даже профессию.
p.s. Эту статью мы подготовили совместно с научно-популярным изданием Naked Science.
p.p.s. Мы собрали ключевые вехи эволюции технологии почти за век в инфографике ниже. Три столбца показывают, как менялись техпроцессы, увеличивалась сложность и миниатюрность плат, и как развивались инструменты проектирования от кульмана до современных EDA.
Автор: YADRO
