Принципы гибридной разработки, часть 1
Вы волнуетесь, «а будет ли у меня работа через 20 минут?». Потом вы занимаете свое место на презентации. Но к счастью, новость совсем не так страшна, как вы боялись, вы всего лишь узнаете, что ваша компания сливается с Acme Industries. И вдобавок ко всему, Acme требует срочной разработки нового проекта и именно вас выбрали для выполнения этой работы.
Итак, прямо перед вице-президентом, вашим боссом и всеми вашими коллегами именно эта горячая картофелина попадает прямо к вам в руки. Поздравляем! Но как только вы просматриваете данные разработки, эти ужасные бабочки в животе возвращаются, так как требования к разработке такие, каких вы в жизни не видали. И несмотря на то, что вам отчаянно хочется поднять руку, когда вице-президент спрашивает, есть ли у кого какие вопросы, вы все же решаетесь скрыть свое замешательство. Но что вам отчаянно хочется спросить, это «Что такое, черт возьми, гибридная разработка?»
Так что же такое эта гибридная разработка? Если единственное, что пришло к вам на ум, это образ автомобиля, который переключается между батареями и бензином для питания, то эта статья может оказаться именно тем, что вам нужно. Мы все чаще и чаще видим, что наши клиенты знакомятся с миром гибридных разработок, и к нам приходят новые клиенты, для которых гибридная разработка является их основным направлением. Мир гибридных разработок растет и у нас есть множество специфичных для гибрида функций, встроенных в наше программное обеспечение, которые помогают разработчикам справляться с уникальными требованиями гибридных разработок, с которыми они сталкиваются.
Но все равно и сейчас многие разработчики (и я был одним из них) не имеют ни малейшего представления о том, что же имеется ввиду, когда люди начинают обсуждать гибридные разработки. И часто разработчики избегают обсуждать эту тему напрямую, в то же время надеясь уловить какие-то намеки или подсказки от других, чтобы не блуждать в темноте. Если это описание неприятно напомнило вам о вас самих сегодня, то продолжайте читать дальше. Я очень надеюсь, что эта серия статей из трех частей послужит вам введением в мир гибридных разработок.
И прежде, чем мы начнем, я хочу выразить благодарность моему коллеге Бернду Пфлюгеру (Bernd Pflueger). Бернд находится в мире гибридных разработок уже очень давно, и вероятно он больше забыл о них, чем я когда-либо знал. Я благодарен ему за помощь и за глубину его знаний, а также за бесценное понимание гибридных разработок с точки зрения разработчика печатных плат, которое он привнес.
Гибридная разработка является альтернативой стандартной печатной плате. Компоненты и проводники устанавливаются или производятся на субстрат, который затем может быть полностью закапсулирован в защитное покрытие. Гибриды обычно меньше и значительно более надежные, чем печатные платы, что делает их более адаптированными для экстремальных условий окружающей среды. Гибридная разработка является лучшим решением, если плата будет использоваться в условиях влаги, усиленной вибрации или высоких температурах. Другими словами, если плату планируется погружать в воду, закапывать в земле, подвергать смертельной тряске внутри горячего корпуса какого-либо двигателя, то гибридная разработка будет лучшим выбором, чем стандартная печатная плата, которая вряд ли выживет в таких условиях.
Гибридные разработки обычно обладают более высокой надежностью, чем традиционные печатные платы. У них меньше паяных соединений, при этом другие металлические межсоединения в гибридных разработках более надежные, чем паяные соединения. А способность печати чернильных резисторов вместо использования стандартных устанавливаемых на плату корпусированных резисторов дает гибридной разработке возможность реализовать лучшую точность в своих резисторах, плюс экономия на складировании и хранении этих деталей на производстве. Но мы бежим впереди паровоза, обсуждая печатные резисторы; поговорим об этом позднее.
Для начала поговорим о базовой структуре нашей гибридной разработки, которую в рамках этих статей мы будем называть по большей части LTCC гибридная разработка (подробнее о том, что такое LTCC, позднее). Любой разработчик печатных плат знает, что стандартная печатная плата сделана из нескольких различных слоев меди и материала диэлектрика (обычно FR-4). Процесс производства печатной платы травит медь, чтобы сформировать проводники (дорожки и заполнение), и все слои соединяются вместе. Таким образом, производство печатной платы может считаться субтрактивным процессом из-за медного травления. LTCC гибридная разработка – абсолютно противоположна. Она создается снизу-вверх от субстрата за счет печати проводящего материала для проводников (дорожек и заполнения) на подложку, что делает производство аддитивным процессом.
LTCC напоминает низкотемпературную керамику совместного обжига. LTCC разработки обычно используют керамический материал для подложки, хотя в зависимости от целей разработки могут использоваться различные материалы субстрата. Нержавеющая сталь и титан – два альтернативных материала для подложки, но эти материалы более дорогие, чем керамик, и выводят производственный процесс на другой уровень сложности. Каждый из них требует нанесения тонкого слоя изоляционного материла на субстрат перед добавлением проводящих слоев. Таким образом, большинство подложек – это керамика, если только высокотемпературные условия использования не требуют дополнительных затрат и веса нержавеющей стали. Титан зарезервирован для таких условий, когда теплоотдача, вес и стабильность при изменяющихся температурных условиях требуют дополнительных затрат относительно нержавеющей стали. Подложки из нержавеющей стали и титана обычно используются в HTCC разработках, а не в LTCC.
Понятие «совместный обжиг» означает, что проводники и керамика нагреваются (обжигаются) в печи одновременно. LTCC обжигается при температуре примерно 900°C, и при использовании эти LTCC разработки могут работать при температурах до 225°C. Это одно из основных преимуществ перед стандартными печатными платами, которые обычно запрещено использоваться при температурах, превышающих 85°C.
Мы также упоминали HTCC гибридные разработки, и как вы могли предположить, HTCC обозначает «высокотемпературный совместный обжиг» (high-temperature co-fired ceramics). Эти разработки обжигаются в печах при температуре до 1500°C и могут использоваться при температурах до 500°C. Но эти разработки также подвергаются более высокому сопротивлению проводников из-за различных типов проводящих чернил, требуемых для высоких температур. HTCC разработки также имеют другие особенности, такие как требование различных методов пайки компонентов с использованием различных смесей металлов из-за высокотемпературной среды использования. По этим причинам технология HTCC используется для гибридных разработок только если преимущества, которые она предлагает, на самом деле требуются.
Существуют также и другие типы гибридных технологий кроме LTCC и HTCC. Технология Greentape – это смесь технологий FR-4 и LTCC для высокоточных разработок. Greentape штабелирует несколько тонких керамических подложек, каждый печатается только с одним проводниковым слоем, и спрессовывает их в многослойный корпус. Эта технология используется в RF и микроволновых разработках для Bluetooth, радаров и приемопередатчиков. Но как мы и говорили, в целях этой серии статей мы остановимся в первую очередь на LTCC гибридных разработках, чтобы познакомить вас с основами мира гибридных разработок.
К сожалению, не успели мы начать, мы уже подошли к концу Части 1 этой серии статей. Мы обсудили базовую структуру гибридных разработок и поговорили об их преимуществах, но впереди еще много чего. Я упоминал чернильные резисторы и обещал рассказать о них больше, и я обязательно расскажу. Мы даже не коснулись еще таких вещей, как отличия в программном обеспечении для устройств с гибридными разработками, проводники трассировки или разработка диэлектрических зон. Это я упомянул лишь некоторые темы, которые нам нужно обсудить. Итак, я надеюсь, что в следующем месяце вы будете ждать Часть 2 этой серии по основам гибридных разработок, и мы продолжим наше исследованием. Увидимся.
Тим Гааг (Tim Haag) – работает в отделе клиентской поддержке и является тренинг менеджером в Intercept Technology.
Источник: PCBDESIGN
