Технология производства двусторонних печатных плат

Технология производства двусторонних печатных плат

• 1. Введение
• 2. Конструкции и методы изготовления двусторонних печатных плат
• 2.1 ДПП на жестком фольгированном основании
• 2.2 Комбинированный позитивный метод (SMOTL — и SMOBS-процессы)
• 2.3 Тентинг-метод или метод образовании завесок над отверстиями ПП
• 2.4 Метод фрезерования (метод оконтуривания)
• 2.5 ДПП на жестком нефольгированном основании
• 2.6 Электрохимический (полуаддитивный) метод
• 2.7 Аддитивный метод
• 2.8 Метод фотоформирования
• 2.9 Двусторонние ПП общего применения на нефольгираванном основании с примененном активирующих паст
• 2.10. ДПП на металлическом основании
• 2.11 ДПП общего применения на термопластичном основании
• 2.12ДПП на гибком фолъгированном основании
• 2.13 ДПП на гибком нефолъгированном основании
• 2.14 Гибкие ДПП на нефольгированном палиимиде, изготовленные по тонкопленочной технологии
• 3. Основные этапы изготовления печатных плат
• 3.1 Механическая обработка в процессах изготовления ПП
• 3.1.1 Получение заготовок
• 3.1.2Механическое сверление
• 3.1.3 Фрезерование
• 3.1.4 Сверлийные станки.
• 3.1.5 Химическое сверление
• 3.2 Химическая металлизация
• 3.2.1 Теоретические основы процесса химического меднения
• 3.2.2 Активирование поверхности
• 3.2.3 Растворы химического меднения
• 3.2.4 Практические рекомендации при химическом меднении
• 3.3 Получение защитного рельефа
• 3.3.1Способы создания защитного рельефа
• 3.3.2 Жидкие фоторезисты
• 3.3.3 Сухие пленочные фоторезисты
• 3.3.4 Сеткография
• 3.4 Гальванические процессы
• 3.4.1 Меднение
• 3.4.2 Защитное покрытие сплавом олово-свинец (ПОС-60)
• 3.4.3 Покрытия разъемов печатных плат
• 3.4.4 Осветление и оплавление покрытия олово-свинец
• 3.5 Травление меди
• 3.5.1 Растворы на основе хлорного железа и персульфата
• 3.5.2 Хлорно-медный кислый и щелочной растворы
• 3.6 Маркировка ПП
• 4. Заключение
• 5. Литература

1. Введение

Печатные платы (ПП) применяются практически во всех отраслях народного хозяйства, и потребность в них постоянно возрастает. Опережающие темпы развития микроэлектроники требуют непрерывного повышения их технического уровня, который определяется ростом плотности монтажа электрорадиоизделий (ЭРИ), повышением требований к надежности, увеличением частоты следования импульсов, обеспечением помехозащищенности и др. Реализация этих требований зависит от достижений в области конструирования и развития технологии производства ПП. Это в свою очередь приводит к необходимости разработки новых конструкций и технологических процессов изготовления ПП.

2. Конструкции и методы изготовления двусторонних печатных плат

Конструкция ДПП на диэлектрическом основании представлена на рис. 1. Различают ДПП общего применения и прецизионные, которые отличаются сложностью конструкции, разрешающей способностью и точностью элементов печатного рисунка, материалами, областью применения, стоимостью и другими характеристиками, причем те и другие изготавливают на фольгированном и нефольгированном жестком и гибком основании (рис.2).

Ниже будут рассмотрены ДПП в соответствии с этой классификацией.

Рис.1. Двусторонняя ПП.

Рис.2 Классификация ДПП в зависимости от материала основания.

печатная плата двусторонняя химический

2.1 ДПП на жестком фольгированном основании

На рис. 3 представлены методы изготовления ДПП общего применения и прецизионных ДПП на жестком фольгированном основании, основные этапы изготовления которых будут рассмотрены в дальнейшем.

Основные характеристики прецизионных ДПП и общего применения на жестком фольгированном основании приведены в табл.1.

Таблица 1. Основные характеристики прецизионных ДПП и общего применения на жестком основании.

Рис.3. Классификация методов изготовления ДПП на жестком фольгированном основании.

Рассмотрим методы изготовления ДПП на жестком фольгированном основании подробнее.

2.2 Комбинированный позитивный метод (SMOTL — и SMOBS-процессы)

Основные этапы изготовления ДПП комбинированным позитивным методом приведены в табл.2.

Таблица 2. Основные этапы ТП изготовления ДПП комбинированным позитивным методом (SMOTL - и SMOBS-процессы).

Подготовка поверхностей заготовок (см. табл.2, п.6) перед нанесением СПФ является ответственной операцией, которую проводят чтобы:

удалить заусенцы после сверления отверстий и наростов гальванической меди;

обеспечить необходимую адгезию СПФ к медной поверхности подложки;

обеспечить химическую стойкость защитного рельефа на операциях проявлении и травлении;

получить матовую поверхность с низкой отражающей способностью, которая обеспечивает более однородное экспонирование фоторезиста.

Применяют два способа подготовки поверхности:

1) механическая зачистка абразивными кругами с последующей химической обработкой в растворе персульфата аммония;

2) механическая зачистка водной суспензией пемзового абразива. Затем проводят операции сенсибилизации и активирования поверхности диэлектрика (см. разд.5−5.1).

Для получения защитного рельефа используется сухой пленочный резист (СПФ) толщиной 15.50 мкм.

Начиная с п. 10 табл.2, возможны две последовательности выполнения

этапов ТП:

без удаления металлорезиста (олово-свинца) после операции травления с последующим его инфракрасным или жидкостным оплавлением; этот процесс называется «маска поверх оплавленного припоя», или SMOTL-пpoцecc (solder mask over tin-lead), так как паяльная маска наносится поверх оплавленного сплава олово-свинец;

с удалением металлорезиста (олово-свинца, олова или никеля) или полимерного травильного резиста после операции травления с последующим нанесением паяльной маски на медный проводник; этот процесс называется «маска поверх открытой меди», или SMOBS-пpоцесс (solder mask over bare copper), или защитная маска по меди. На рис. 4 представлены SMOTL — и SMOBS-процессы, начиная с операции гальванического осаждения сплава олово-свинец или олова (см табл.2, п.8).

Рис.4. SMOTL - и SMOBS-процсссы изготовления ПП.

В SMOTL-процессе при пайке ЭРИ «волной припоя» происходит расплавление припоя, находящегося под маской, а также вспучивание и разрушение самой паяльной маски. Кроме того, существует вероятность образования перемычек припоя между соседними проводниками при высокой плотности монтажа. В SMOBS-процессе таких проблем не существует, так как под защитной маской нет припоя. Преимуществом SMOTL-пpoцecca является надежная защита проводников оплавленным припоем, которая необходима для ПП, работающих в условиях повышенной влажности.

Печатные платы для поверхностного монтажа обычно изготавливают по SMOBS-процессу. Это связано с высокой плотностью монтажа, необходимостью предотвращения растекании маски и ее смещения на контактные площадки. Применение SMOBS-процесса связано также с жесткими экологическими ограничениями по свинцу, необходимостью очистки отработанной воды при применении свинца и затратами на приобретение соответствующего оборудования.

Для изготовления ДПП и МПП с защитной паяльной маской (SMOBS-процесс) в том числе прецизионных, где требуется получение проводников и зазоров 0,2 мм и менее, широко используется процесс с использованием временного удаляемого металлорезиста (олова или олово-свинца), т, е. в качестве удаляемого металлорезиста может использоваться олово, или традиционный сплав олово-свинец.

Каждый из вариантов имеет свои достоинства и недостатки.

При использовании олова:

исключается применение высокотоксичного электролита,

содержащего борфториды и свинец, необходимого для осаждения сплава олово-свинец;

для осаждения олова используются простые малотоксичные сернокислые электролиты;

раствор для стравливания олова по мере накопления в нем продуктов травления регенерируют, и раствор работает без полной замены в течение от полугода до одного года.

Недостатком процесса с использованием удаляемого олова является расплывание олова на медные участки, подлежащие стравливанию при снятии СПФ в щелочи, что затрудняет процесс травления.

При использовании сплава олово-свинец:

для осаждения применяется токсичный электролит, что является недостатком процесса;

раствор для стравливания сплава олово-свинец в процессе эксплуатации не корректируется, а полностью заменяется после накопления в нем стравливаемых металлов до концентрации 120−150 г/л.

Большим достоинством процесса с использованием сплава олово-свинец является его универсальность; с использованием одной линии металлизации можно изготавливать как традиционные платы без паяльной

маски с покрытием олово-свинец всего проводящего рисунка (SMOTL-пpoцесс), так и платы с маской по меди (SMOBS-процесс) и нанесением на открытые контактные площадки различных финишных покрытий.

При нанесении покрытия на участки проводящего рисунка, свободные от маски (см. табл.2, п.8), применяют:

горячее лужение ПОС-61 или сплавом Розе (олово-свинец-висмут) с выравниванием горячим воздухом;

покрытие химический никель-иммерсионное золото;

покрытие химический никель-химический палладий;

иммерсионное;

иммерсионное серебро;

иммерсионный палладий;

органическое защитное покрытие.

Достоинствами двухслойного покрытия химический никель-иммерсионное золото являются:

надежная защита печатных элементов платы от коррозионных воздействий;

обеспечение сварки ультразвуковым, термокомпрессионным и

смешанным методами;

обеспечение традиционной пайки без использования активных флюсов;

сохранение свойств покрытия в течение длительного хранения;

плоскостность контактных площадок необходимая для установки ПМК;

хорошая смачиваемость припоем и др.

Для плат поверхностного монтажа основным покрытием является двухслойное покрытие химический никель-иммерсионное золото. Органическое защитное покрытие так же как покрытие химический никель-иммерсионное золото и обеспечивает: плоскостность контактных площадок, необходимую для поверхностного монтажа; паяемость ПП в соответствии с требованиями ГОСТ 23 752–79 «Платы печатные. ОТУ» в течение 1 г.; возможность двукратной пайки при смешанном монтаже. Переходные отверстия с органическим защитным покрытием не требуют дополнительной защиты во время эксплуатации.

2.3 Тентинг-метод или метод образовании завесок над отверстиями ПП

Тентинг-метод применяют при изготовлении ДПП, двусторонних слоев с металлизированными переходами и МПП. Особенности тентинг-метода:

металлизируется вся поверхность и отверстия заготовки ПП;

не используются экологически агрессивные процессы осаждения металлорезиста, и нанесение паяльной маски производится на медную поверхность;

защита рисунка схемы при травлении меди с пробельных мест обеспечивается пленочным фоторезистом, который закрывает и проводники, и отверстия, создавая над ними зонтик; для получения защитного рельефа (изображения) рисунка схемы используют пластичные сухие пленочные фоторезисты толщиной 40−50 мкм. Образованные фоторезистом завески защищают металлизированные отверстия от воздействующего под давлением (1,62.2,02) Па и более травящего раствора в процессе струйного травления ПП. Поэтому для сохранения целостности завесок и исключения их попадания в отверстия применяют фоторезисты толщиной не менее 40.50 мкм;

травление рисунка производят в кислых растворах хлорида меди, что облегчает их регенерацию и утилизацию;

для изготовления ДПП и слоев МПП используют двусторонние фольгированные диэлектрики с толщиной медной фольги не более 18 мкм;

для обеспечения надежной защиты отверстий диаметр контактной площадки выполняют в 1,4 раза больше диаметра отверстия, а минимальный поясок контактной площадки b (ширина между краем контактной площадки и отверстием) — не менее 0,1 мм;

для гальванического меднения используют электролиты с добавками, например, БСД, обладающие высокой рассеивающей способностью и позволяющие получать пластичные осадки гальванической меди;

хорошее сочетание с процессом прямой металлизации, после которой осуществляется полная металлизация поверхности и отверстий и др.

Основные этапы изготовления представлены в табл.3.

Таблица 3. Основные этапы тентинг-метода или метода образования завесок над отверстиями ПП.

Далее см. таблицу 2. п. п.11−16

Основные достоинства и преимущества тентинг-метода:

наименьшая продолжительность технологического цикла;

не используют щелочные медно-хлоридные травильные растворы, содержащие аммонийные соединении, затрудняющие обработку сточных вод;

улучшенные экологические показатели производства;

экономичность ТП.

Субтрактивные методы, рассмотренные выше (рисунок печатных плат получается травлением меди с пробельных мест), применяемые в настоящее время, имеют ограничения по разрешающей способности рисунка схемы, т. е. по минимально воспроизводимой ширине проводников и расстояний между ними, размеры которых связаны с толщиной проводников.

при толщине проводников 5−9 мкм можно получить ширину

проводников и зазоров порядка 50 мкм;

при толщине проводников 20.35 мкм — 100.125 мкм;

при толщине проводников 50 мкм — 150.200 мкм.

Для получения логических слоев и ДПП с металлизированными переходами с более плотным печатным рисунком, с шириной проводников 125 мкм и менее, например, 100 мкм, при толщине 50 мкм, применяют SMOBS-процесс с использованием диэлектрика с тонкомерной фольгой, толщиной 5.9 мкм. В этом случае ТП имеет ряд особенностей:

предварительная металлизация стенок отверстий и поверхности фольги заготовок диэлектрика выполняется на минимально возможную толщину 8.10 мкм.

для получении изображений используют тонкие СПФ с более высокой разрешающей способностью и гальваностойкостью;

подготовка поверхности подложки перед нанесением СПФ из-за небольшой толщины фольги и металлизированного слоя и во избежание их повреждения, проводится химическим способом;

СПФ наносят при низкой скорости 0,5 м/мин валковым методом, при температуре нагрева валков (115±5) єС, на подогретые до температуры 60−80°С заготовки;

при экспонировании используют установки с точечным источником света, обеспечивающие высококоллимированный интенсивный световой поток на рабочую поверхность копировальной рамы с автоматическим дозированием и контролем световой энергии;

фотошаблоны — позитивы должны иметь резкость края изображения 3−4 мкм;

проявление изображений провопят в установках проявления — процессорах в стабилизированном трихлорэтане;

травление меди с пробельных мест схемы суммарной толщиной 10.15 мкм осуществляют в травильной установке с медноаммиачным травильным раствором;

в качестве металлорезиста применяют сплав олово-свинец (ПОС-61) толщиной 9.12 мкм с последующим его удалением или никель толщиной 3.5 мкм.

2.4 Метод фрезерования (метод оконтуривания)

Этот механический метод применяют при единичном изготовлении ДПП полностью на одном универсальном станке фирм, например, LPFK, Bungard, VHF, Mitronic. Он включает следующие этапы:

подготовка управляющего файла для станка;

сверление монтажных и переходных отверстий по программе;

фрезерование (высвобождение) мест от фольги твердосплавными коническими фрезами с углом при вершине 60 или 30 град. Файл окон-туривания генерируется в одной из программ CAD-CAM (InstantCAM, QrcuitCAM, CAM 350);

металлизация монтажных и переходных отверстий.

Применяя фрезу с рабочим диаметром 100 мкм, изготавливают ДПП по 4-му классу точности, т. е. между выводами ЭРИ со стандартным шагом 2,54 мм можно провести пять проводников. При этом основным требованием, предъявляемым к материалу ДПП, является плоскостность. Для исключения разброса ширины реза при фрезеровании применяют специальные прижимные головки. При этом контролируют глубину врезания фрезы в заготовку и равномерность прижима заготовки к рабочему стопу. Металлизацию переходных отверстий осуществляют пустотелыми заклепками (фирма Bungard); облуженными пустотелыми заклепками, содержащими припой с флюсом, которые вставляют в отверстие, и с помощью паяльника расплавляют припой (LPFK); специальными пастами, которые разогревают в печах при температуре (160±10) єС.

Основными преимуществами механического способа являются высокая оперативность и простота реализации, а недостатками — низкая производительность и высокая стоимость оборудования.

2.5 ДПП на жестком нефольгированном основании

На рис. 5 приведены методы изготовления прецизионных ДПП и

общего применения на жестком нефольгированном основании. Основные операции ТП их изготовления приведены ниже. Основные характеристики ДПП на жестком нефольгированном основании представлены в табл.4.

Рис.5. Классификация методов изготовления ПП на жестком нефольгированном основании

Таблица 4. Основные характеристики ДПП на жестком нефольгированном диэлектрике.

Рассмотрим методы изготовления ДПП на нефольгированном диэлектрике подробнее.

2.6 Электрохимический (полуаддитивный) метод

В настоящее время широко применяется электрохимический метод изготовления прецизионных ДПП и ДПП общего применения на нефольгированном жестком, гибком основании, а также слоев МПП. Данный метод имеет несколько вариантов исполнения, в зависимости от которого ПП

могут быть изготовлены по 3-, 4 — или 5-му и выше классам точности. В табл.5 приведена последовательность основных этапов различных вариантов изготовления ПП.

Таблица 5. Основные этапы ТП изготовления ДПП на жестком нефольгированном основании электрохимическим (полуаддитивным) методом (прецизиционных ДПП и ДПП общего применения).

Далее по таблице 2., начиная с п.8

Существуют несколько вариантов изготовления ДПП электрохимическим метолом.

1-й вариант. На нефольгированное основание, покрытое адгезионным слоем со сквозными монтажными и переходными отверстиями наносят проводящий слой, который получен методом химического осаждения меди (подслой меди толщиной 3.5 мкм). Далее процесс изготовления см. по табл.5. В качестве металлорезиста применяют сплав олово-свинец или полимерный травильный резист. Получают прецизионные ДПП 5-го класса точности. Недостатками данного варианта являются: потребность в сложных и дорогостоящих химикатах для операции химического осаждения меди на диэлектрик; растворы химического меднения трудно поддаются утилизации и экологически опасны; травлению подвергается медь, растворы которой также экологически опасны, а средства регенерации травильных растворов сложны, дороги и энергоемки; соли олова и свинца относятся к экологически опасным.

2-й вариант. На нефольгированное основание, покрытое адгезионным слоем со сквозными монтажными и переходными отверстиями наносят проводящий слой, сформированный методом химико-гальванического осаждения меди (подслой меди толщиной 5.10 мкм). Далее процесс изготовления см. по табл.5. Получают прецизионные ДПП 5-го класса точности. Недостатки: большие затраты материальных средств как на реализацию самих процессов, так и на обеспечение их экологической безопасности.

3-й вариант. На поверхность нефольгированного диэлектрика наносят адгезионный слой и напыляют вакуумно-дуговым методом медь, на которой в дальнейшем формируют проводящий рисунок схемы в соответствии с ТП, приведенным в табл.5. Получают ДПП 3-го класса точности. Недостаток-ограничение по конструктивно-технологическим характеристикам печатных плат (отношение толщины платы к диаметру отверстия не более трех). Достоинством этого варианта является снижение экологической опасности.

4-й вариант. На нефольгированное основание, покрытое адгезионным слоем со сквозными монтажными и переходными отверстиями наносят проводящий слой, сформированный методом термолиза меди (обработка ПП в аммиачной соли гипофосфита меди; толщина подслоя меди — 0,3 мкм) с последующим предварительным электролитическим меднением (подслой меди толщиной 5−7 мкм). Далее процесс изготовления см. по табл.5.

5-й вариант. Токопроводящий подслой из алюминия формируют на поверхности заготовки из нефолъгиронинного диэлектрика, например, стеклотекстолита эпоксидно-фенольного марки СТЭФ и на стенках сквозных монтажных и переходных отверстий термолизом хлораланового раствора, где п = 1, 2, при температуре 80.100°С (из раствора хлоралана, полученного синтезом из литийалюминийгидрида и хлорида алюминия в этиловом эфире). Толщина осаждаемого слоя алюминия регулируется временем проведения термолиза и составляет S-10 мкм. В результате высокой химической активности алюминии (особенно в тонких слоях) на нем образуется защитная оксидная пленка толщиной 0,1.0,2 мкм. Эта пленка формируется путем пассивации алюминиевого покрытия ПП в смеси «сухого» диэтилового эфира и этилового спирта. Тонкая пленка оксида алюминия обеспечивает высокую адгезию нанесенного слоя меди на алюминий и является промежуточным диэлектрическим слоем, препятствующим контактной коррозии. Последовательность основных операций ТП по 5-му варианту электрохимического метода приведена в таблице 6.

Таблица 6. Разновидность электрохимического (полуаддитивного) процесса (5-й вариант изготовления ДПП)

Медь, покрывающая проводники, контактные площадки и стенки отверстий, выполняет функцию резиста на операции травления, на которой происходит стравливание тонкого слоя алюминия на участках, не защищенных медью, т. е. травление алюминия с пробельных мест осуществляют, используя медь рисунки схемы в качестве травильного металлорезиста. Под слоем меди остается подслой алюминии и никеля. Продукты травления алюминия менее токсичны, легко химически перерабатываются в коагулянты для очистки промышленных стоков, для получения красок и т. д. Медные проводники покрывают паяльной маской, оставляя открытыми только контактные площадки с отверстиями; паяльная маска не вздувается при пайке. Этот вариант обеспечивает возможность изготовления печатных плат 4 — и 5-го классов точности. Размер ПП при этом ограничен размерами реактора для алюминирования.

Достоинства 5-го варианта метода:

высокое качество ДПП при сохранении конструктивно-технологических характеристик;

снижение загрязнения окружающей среды в связи с травлением алюминия только с пробельных мест, а не меди;

исключение использовании в качестве травильного металлорезиста сплава олово-свинец;

экономия около 0,2 кг меди на каждом 1 м² изготавливаемой ДПП, так как в отличие от обычных ПП стравливается не медь, а алюминий и притом не со всей поверхности, а только с пробельных мест (около 0,03 кг с 1 м²);

снижение стоимости ущерба окружающей среде, поскольку исключается операция химического меднения, для которой требуются дефицитные, дорогостоящие и трудноутилизируемые химикаты. Для усиления коррозионной стойкости платы (как вариант) на слой алюминия на проводники, контактные площадки и стенки отверстий дополнительно осаждают слой никеля толщиной 3.5 мкм. Этот слой является промежуточным между слоем алюминии и осажденным позже слоем меди; никель снижает контактную разность потенциалов между алюминием и медью и уменьшает контактную коррозию этих металлов. Широкое применение в настоящее время полуаддитивной технологии на наружных слоях МПП вызвано необходимостью получения тонких проводников (шириной 0,08.0,04 мм и менее) для установки BGA-компонентов с малым шагом расположения выводов (0,5…0,25 мм) и большим числом выводов (1000 и более).

Преимущества электрохимического метода:

возможность осаждения в отверстия или на поверхность слоя меди любой толщины, что позволяет получить сверхточные структуры проводников с незначительным коэффициентом подтравливания;

достаточно высокая адгезионная прочность при высоких температурах;

возможность изготовления многоуровневых схем и ПП для установки ПМК.

2.7 Аддитивный метод

Аддитивным методом изготавливают прецизионные ДПП на нефольги-рованном основании по 5-му классу точности. В отличие от субтрактивных методов в аддитивном методе применяют нефольгированный диэлектрик, на который селективно осаждают медь. Толщина химически осаженной на диэлектрик меди составляет порядка 25.35 мкм, удельное электрическое сопротивление — Омм (выше чем у гальванической —), относительное удлинение — 4.6 %, прочность сцепления с диэлектриком — не менее 0,4 Н/3 мм. При аддитивном методе в качестве материала основания ДПП применяют нефольгированный стеклотекстолит:

с клеевыми пленками (адгезионными) на поверхности типа СТЭФ;

с введенным в объем диэлектрика катализатором, который

способствует осаждению меди на диэлектрик — типа СТАМ;

с эмалью.

Технологический процесс изготовления зависит от применяемого материала. Основные этапы аддитивного метода изготовления на материале СТАМ приведены на рис. В.6.

Преимущества аддитивного метода:

высокий класс точности — 5-й;

равномерность меди на поверхности и в отверстиях при отношении толщины ДПП к диаметру отверстия 10: 1;

короткий технологический цикл;

сокращение количества оборудования по сравнению с субтрактивными методами;

снижение расхода меди, так как ее осаждают селективно в соответствии с рисунком ДПП;

возможность использования для химического меднения солей меди из травильных отходов.

К недостаткам аддитивного метода относятся:

высокое удельное электрическое сопротивление химической меди;

наличие адгезионного слоя на поверхности, подверженного старению;

тенденция химической меди к растрескиванию под воздействием сильных термических ударов и др.

2.8 Метод фотоформирования

Метод фотоформирования является одним из вариантов аддитивного метода. Он применяется для изготовления ДПП и слоев МПП на нефольгированном основании 5-го класса точности. В качестве материала

основания используют слоистые диэлектрики, керамику, металл с покрытием из смолы. Для получения рисунка методом фотоселективной активации применяют фотоактиваторы (фотопромоторы) — светочувствительные растворы солей меди или серебра на основе органических кислот (винной, глутаминовой и др.). Фотоактиваторы наносят на подложку, затем проводят экспонирование; под действием УФ-излучения ионы меди восстанавливаются, формируя отчетливое изображение рисунка схемы. Проявление рисунка осуществляют в ванне химического меднения, в которой в результате автокаталитического процесса происходит восстановление меди. Основные этапы метода фотоформирования приведены в табл.7.

Таблица.7. Основные методы фотоформирования.

Одним из вариантов метода фотоформирования является вычерчивание световым лучом рисунка схемы по нанесенному на нефольгированный диэлектрик фотоактиватору, после чего на восстановленный металл осаждают медь химическим способом. Методом фотоформирования можно получить ДПП или слои МПП по 5-му классу точности и выше.

2.9 Двусторонние ПП общего применения на нефольгираванном основании с примененном активирующих паст

ДПП на нефольгированном диэлектрике, изготовленные с применением

активирующих паст, обладают теми же характеристиками, что и аналогичные ОПП. Основные этапы ТП изготовления этих ДПП приведены в табл.8.

Табл.8. Основные этапы ТП изготовления ДПП на нефольгированном основании с использованием активирующих паст.

Далее по табл.2. с п. п.11−16.

Недостатком ДПП является низкий класс точности: 1 — или 2-й, достоинством — простота ДПП и дешевизна изготовления.

2.10. ДПП на металлическом основании

При изготовлении теплонагруженных ДПП для отвода теплоты в качестве основания применяют металлические листы из алюминия, меди, стали или титана толщиной 0,1.3,0 мм, покрытые изоляционным слоем. При этом наиболее ответственным моментом является процесс нанесения изоляционного слоя с требуемыми параметрами изоляции. Чаще всего применяют эпоксидное покрытие толщиной 40.150 мкм, которое наносят в виде нескольких слоев эпоксидной пасты или порошка с оплавлением каждого слоя при температуре (180 ± 5) єС. Основными этапами изготовления ДПП на металлическом основании являются (табл.9):

сверление отверстий;

нанесение изоляционного слоя;

получение токопроводящего рисунка ДПП аддитивным или электрохимическим методами.

Таблица 9. Основные этапы изготовления ДПП на металлическом основании.

Далее по табл.2. с п.7.

Применение теплопроводных ПП на металлическом основании в связи с постоянным ростом функциональной сложности и тепловыделения ЭРИ и ПМК становится наиболее актуальным.

2.11 ДПП общего применения на термопластичном основании

ДПП на термопластичном основании можно изготовить:

электрохимическим методом (см. табл.6);

методом фотоформирования (см. табл.7);

с применением активирующих паст (см. табл.8).

Основные этапы изготовления ДПП на термопластичном основании методом фотоформирования приведены в табл.10.

Таблица 10. Основные этапы изготовления ДПП на термопластичном основании методом фотоформирования.

Технология изготовления на термопластичном основании в настоящее время требует доработки.

2.12ДПП на гибком фолъгированном основании

Двусторонние ГПП имеют два проводящих слоя в виде элементов печатного монтажа, причем конструкция этих плат может быть выполнена как с межслойными металлизированными переходами, так и без межслойных переходов. На рис. 6 приведены методы изготовления ДПП на гибком фольгированном диэлектрике, в табл.11 - основные характеристики гибких ДПП, а в табл.12 — основные этапы изготовления.

Рис.6. Методы изготовления ДПП на гибком фольгированном диэлектрике.

Таблица 11. Основные характеристики гибких ДПП на фольгированном основании.

Таблица 12. Основные этапы ТП изготовления гибких ДПП на фольгированном основании.

Далее по табл.2. с п.8.

Примечание. В качестве паяльной маски о данном ТП применяется СПФ-защита.

К особенностям изготовления гибких ДПП на фольгированном

диэлектрике можно отнести:

применение двухстороннего фольгированного полиимида, например, ПФ-2;

получение монтажных и переходных отверстий диаметром 0,2.0,5 мм лазерным сверлением или травлением;

осуществление предварительной металлизации либо химико-гальваническим методом, либо магнетронным напылением, либо прямой металлизацией;

получение защитного рельефа фотохимическим способом;

применение в качестве защитного травильного резиста либо металлорезиста, либо полимерного травильного резиста.

2.13 ДПП на гибком нефолъгированном основании

В качестве материала основания применяют нефильтрованный диэлектрик с адгезионным слоем на полиимидной основе или нефольгированный диэлектрик на полиимидной основе без адгезива. Недостатком первого материала является старение адгезионного слоя, второго — плохая адгезия металлов. Основные характеристики гибких ДПП на нефольгированном основании приведены в табл.13.

Основные этапы изготовления гибких ДПП на нефольгированном основании приведены в табл.14.

Таблица 13. Основные характеристики гибких ДПП на фольгированном основании.

Далее по табл.2. с п.8.

Таблица 14. Основные этапы ТП изготовления гибких ДПП на нефольгированном основании.

Далее по табл.2. с п.8.

2.14 Гибкие ДПП на нефольгированном палиимиде, изготовленные по тонкопленочной технологии

Одним из направлений повышения плотности монтажа ЭРИ на гибких ПП является использование тонкопленочной технологии для создания печатных элементов с применением фотолитографии и вакуумного осаждения металлов, которые предъявляют ряд специфических требований к

выбору материала гибких оснований и операциям ТП изготовления. Наиболее широко в настоящее время для этих целей применяют нефольгированный полиимид, который имеет много достоинств, но и недостатки, основными из которых являются:

адгезионная инертность;

нестабильность линейных размеров гибких плат;

повышенное влагопоглощение;

Как показали исследования наиболее прочная металлизация полиимида осуществляется методами вакуумного осаждения металлических пленок Сг-Си-Сг с предварительной активацией поверхности полиимида, которая устраняет его адгезионную инертность в результате частичной деструкции или модификации наружных слоев, вследствие воздействия специальных химических (сильных щелочей, включая КОН и NaOH) и физических обработок.

Нестабильность линейных размеров гибких плат на полиимиде связана с тем, что полиимид изменяет свои размеры при повышенных температурах в результате усадки, что влияет на точность совмещения рисунка переходных отверстий и проводников на гибкой плате и, следовательно, на допуск на минимальные размеры печатных элементов. Предварительная термообработка полиимида позволяет снизить усадку до 10 раз. Влагопоглощение, влияющее на линейные размеры ПП, является обратимым процессом, так как после удаления влаги происходит восстановление первоначальных размеров.

Наиболее существенны изменения линейных размеров, возникающие при вакуумном осаждении металлических пленок, связаны с внутренними механическими напряжениями, компенсация которых достигается за счет того, что травление отверстий проводят на гибкой подложке в «растянутом» состоянии, когда на полиимидной подложке нанесены слои Сr-Сu-Сr и вторую вакуумную металлизацию слоев Сr-Сu-Сr для получения рисунка схемы проводят с точным воспроизведением температурного цикла и параметров процесса первичной (предварительной) металлизации. Одной из ответственных операций является получение отверстий диаметром 50.70 мкм методом химического травления полиимидной пленки в количестве нескольких тысяч на одной подложке. Для этого должна быть решена задача обеспечении равномерной скорости травления на всей поверхности подложки.

Особенностью фотохимических процессов формирования рисунка коммутационных элементов и травления полиимидной пленки является применение в качестве масок при травлении пленок Сr-Сu-Сr щелочестойких негативных фоторезистов (например, ФН-11), которые имеют значительно меньшую разрешающую способность, нежели позитивные фоторезисты. Для устранения этого явления применяется кратковременная

плазмохимическая обработка пленки фоторезиста в кислородной плазме. Такой прием позволяет увеличить разрешающую способность фоторезиста ФН-11 с 40.50 до 150.200 линий/мм.

Процессы гальванического наращивания на слоях Сr-Сu-Сr меди определяют надежность металлизации в переходных отверстиях и надежность присоединения выводов навесных элементов к контактным площадкам. Слой металлизации суммарно должен составлять 20.25 мкм и иметь минимальные значения внутренних механических напряжений. Этим и объясняется необходимость гальванического наращивания, которое по сравнению с вакуумной металлизацией дает существенно менее напряженные металлические пленки. Учитывая кислотостойкостъ полиимида, применяют, например сернокислый электролит меднения, содержащий сернокислую медь и серную кислоту.

При гальваническом осаждении сплава свинец-олово контролируют качество покрытия под микроскопом: покрытие должно быть светло-серого цвета, мелкодисперсным, сплошным и равномерным по всей поверхности, без шелушений, вздутий, отслаиваний и темных пятен. Силу тока, мА, необходимую для нанесения покрытия на одну подложку рассчитывают по формуле:

где S — площадь покрытия, см²;

— катодная плотность тока, мА/см^2,Время осаждения сплава заданной толщины Т, ч, определяют по следующей формуле:

Здесь h - толщина сплава, мкм;

v = 10 — приблизительная скорость осаждения сплава, мкм/ч.

В табл.15 приведена последовательность основных этапов изготовления гибких ДПП на нефольгированном полиимиде по тонкопленочной технологии.

После резки и активации поверхности полиимида на установке химической активации и очистки подложек осуществляют напыление методом ионно-плазменного распыления с магнетронным источником или методом термического испарения защитных слоев Сr-Сu-Сr толщиной 0,8−0,4−0,6 мкм на установке для двусторонней металлизации в вакууме полиимидной пленки.

Первый этап необходим для защиты полиимидной пленки во время травления переходных отверстий; двустороннее напыление — для исключения закручивания и коробления пленки. Двустороннее нанесение фоторезиста (тип ФН-11) производят на установке двустороннего нанесения и сушки фоторезиста (п. з). Затем получает рисунок переходньх отверстий (п.4): выполняют двустороннее экспонирование на установке совмещения и экспонирования и проявление рисунка на установке проявления негативного фоторезиста.

Таблица 15. последовательность основных этапов ТП изготовления двусторонней ПП на полиамиде.

На этапе 5 производят последовательное травление металлических

слоев Сr-Сu-Сr в отверстиях, затем — полиимидной подложки; травление каждого слоя осуществляют в собственном растворе. На 6 этапе производят термообработку для выпаривания воды из фоторезиста, с целью уменьшения усадки полиимидной пленки, очистку полиимидной подложки и снятие металлических защитных слоев Сr-Сu-Сr. На этапах 7, 8, 9 получают рисунок проводников и контактных площадок; проводят аналогичные операции напыления, нанесения фоторезиста, экспонирования, проявления рисунка. Особенность этапа заключена в том, что негативный фоторезист в данном cлучае защищает места, которые затем будут травиться. На этапе 10 снимается вуаль фоторезиста в установке плазмохимического травления фоторезиста кислородной плазмой и на поверхностях, находящихся под снятой вуалью, производят гальваническое меднение, на линии гальванического наращивания металлических слоев для создания основного токоведущего слоя и нанесение сплава олово-висмут (п.11), для защиты меди от окисления, для упрочнения поверхностного слоя и обеспечения паяемости плат. На 12 этапе снимают негативный фоторезист и осуществляют травление участков (Сr-Сu-Ск), находящихся под ним (п.13). На последнем 14 этапе формируется рисунок защитного покрытия на основе негативного фоторезиста ФН-11. Приведенные выше этапы изготовления требуют высокой чистоты помещения, стабильных температур, низкокачественных исходных материалов, в противном случае имеет место низкий процент выхода годных плат.

Установка ГПП на жесткое основание осуществляется путем приклеивания.

3. Основные этапы изготовления печатных плат

3.1 Механическая обработка в процессах изготовления ПП

3.1.1 Получение заготовок

Резка заготовок. Печатные платы выпускаются самых различных размеров и конфигураций, изготовление их поштучно влечет за собой большой расход материалов и значительное увеличение трудоемкости производства, поэтому наиболее рационально группировать платы на одну заготовку таким образом, чтобы получить возможность одновременно обработать максимальное количество плат.

Размер заготовок из диэлектрического материала определяют исходя из размеров транспортеров, ванн химической и гальванической обработки, ширины рулонов сухого пленочного фоторезиста, рабочего поля сверлильных станков, сеткографических трафаретов и других габаритных ограничений, обусловленных типом применяемого оборудоваиня, а также с учетом наиболее рационального раскроя диэлектрических и вспомогательных материалов.

При определении размеров заготовок учитывают необходимость наличия технологического поля со всех четырех сторон шириной не более 10 мм (ГОСТ 23 662−79) для изготовления двусторонних и односторонних плат и 30 мм — при изготовлении многослойных печатных плат. Для групповых заготовок ширина технологического поля по периметру принимается 30 мм, а ширина технологического поля между платами не должна превышать 10 мм.

Наиболее употребителен размер заготовок 530X530 мм. Максимальный размер единичной платы 500Х500 мм. Получение заготовок выполняется в два приема. Вначале листы диэлектрика режутся на полосы, а затем полосы режутся на заготовки. В условиях крупносерийного и массового производства заготовки получают вырубной в штампах на кривошипных прессах.

Разрезка диэлектрических материалов для плат, а также вспомогательных материалов, таких как прокладочная стеклоткань, картон, триацетатная пленка и др., производится с помощью роликовых или гильотинных ножниц.

Предельные отклонения размеров составляют ±1,5 мм для заготовок, толщина которых более 0,2 мм, для заготовок толщиной менее 0.2 мм ±2,0 мм. Роликовые или гильотинные ножницы должны обеспечивать возможность разрезки материалов толщиной до 3 мм с точностью ±0,2 мм.

Зазор между режущими кромками ножей должен быть в пределах 0.02−0.03 мм; при большем зазоре образуются трещины, сколы, происходит расслоение материала. Скорость резания 2−10 м/мин. Учитывая, что резанию подвергаются стеклотекстолит, т. е. материалы, армированные стеклотканью, режущие кромки ножей гильотины или ролики роликовых ножниц должны быть изготовлены из твердых сплавов.

Для получения заготовок можно использовать следующее оборудование: гильотинные ножницы О А-305; кривошипные ножницы с наклонным ножом (ТУ 2−041 — 1033−79); ножницы роликовые одноножевые и многоножевые производительностью 360 и 720 заготовок в час. Гильотинные и кривошипные ножницы позволяют резать материал, толщиной до 3 мм при максимальной ширине разрезаемого листа 1600 мм. Длина отрезаемого листа по заднему упору 600 мм.

Максимальный размер заготовок 500Х 500 мм — для одноножевых и в пределах ширины листа — для многоножевых. Основные технические характеристики роликовых ножниц следующие: толщина разрезаемого материала до 3 мм; скорость резания материала 2−10 м/мин; осевой зазор, между роликами 0.02−0.05 мм.

В условиях опытного производства можно производить резку заготовок на станках собственного изготовления, в которых режущим инструментом служат абразивные или алмазные круги, имеющие линейную скорость при вращении 40 — 50 м/с при подаче материала со скоростью 0,4−0,6 м/мин.

Как указывалось выше, в условиях крупносерийного производства заготовки плат из полос материала целесообразно получать штамповкой с помощью кривошипных прессов К 2324 или К 2328. Рекомендуется также пресс КД (ТУ 2−041 С84−80), Вырубные штампы следует изготавливать из легированных сталей марок X12M или Х12Ф.

Заготовки из тонких диэлектриков толщиной до 0,25 мм рекомендуется подвергать термостабилизации с целью завершения процессов полимеризации смолы. Для этого заготовки помещают в открытую тару и подвергают трем циклам нагрева и охлаждения. Режим одного цикла: до 150 °C в течение 40 мин, выдержка при этой температуре 20 мин, охлаждение до 30 °C в течение 40 мин.

Заготовки диэлектрика для одно — и двусторонний печатных плат подвергают рихтовке, если их деформация составляет более 1 мм на 100 мм длины. Рихтовка заготовок осуществляется посредством их продвижения между вращающимися стальными валками, зазор между которыми регулируется прижимным устройством.

Получение фиксирующих и технологических отверстий в заготовках. Для точного расположения заготовок печатных плат или отдельных слоев многослойных печатных плат в процессах сверления и совмещения с фотошаблонами на технологическом поле создаются фиксирующие (базовые) отверстия, которые имеют различные диаметры и располагаются асимметрично.

Технологические отверстия (ГОСТ 23 662−79), предназначенные для предотвращения смещения заготовок слоев в многослойных платах в процессе прессовании (склеивания), размещаются на технологическом поле. Их количество зависит от площади поверхности слоев МПП. Фиксирующие и технологические отверстия получают сверлением, а при крупносерийном производстве — штамповкой. Процесс сверления предполагает весьма высокие требования к точности расположения отверстий, так как от этого зависит совпадение контактных площадок и других элементов проводящего рисунка в платах всех типов. В связи с этим предельные отклонения расстояний между, центрами просверленных отверстий должны быть следующие: ±0,05 мм при расстоянии до 380 мм. ±0,03 мм при расстоянии от 180 до 360 мм и ±0,1 мм при расстоянии свыше 360 мм.

В многослойных платах предельные отклонения не должны превышать ±0,03 мм. Эти требования могут быть соблюдены, если в сверлильных станках биение сверла не превышает 0,02 мм, а отклонение от перпендикулярности оси шпинделя к базовой поверхности стола составляет не более 0,01 мм. Сверление производят на координатно-расточном или настольных сверлильных станках типов С-106, С-155 или 2 М 103П.

В первом случае используют твердосплавные сверла по ГОСТ 17 574–71 и ГОСТ 17 275–71, а заготовки плат укладывают пакетом толщиной до 4,5 мм, подкладывая под нижнюю заготовку лист гетинакса толщиной 0,8−1,5 мм. При сверлении тонких диэлектриков (менее 0,5 мм), триацетатной пленки, прокладочной стеклоткани и других материалов гетинаксовая прокладка устанавливается с обеих сторон.

При сверлении на настольных сверлильных станках применяют твердосплавные сверла по ГОСТ 4010–77. Частота вращения шпинделя 1000−1900 об/мин. Сверление производят через кондуктор, также укладывая заготовки плат пакетом до 4,5 мм. После сверления отверстия обрабатывают развертками по ГОСТ 16 086–70 или ГОСТ 1672–71.

3.1.2Механическое сверление

Механическая обработка и особенно сверление составляют значительную долю проблем в обеспечении экономичности и серийноспособности производства печатных плат и, что самое главное, в обеспечении плотности межсоединений, их качества и надежности. Наиболее сложный и трудоемкий процесс в механической обработке печатных плат — это формирование отверстий, подлежащих металлизации. От сверления зависит качество металлизации, т. е. надежность межслойных соединений. Востребованные в настоящее время конструкции МПП содержат большое количество тонких отверстий с глубоким сверлением. Эти отверстия можно выполнять сверлением, но ограниченная производительность механического сверления заставляет переходить к лазерному сверлению.

Выбор и оценка качества сверл. В последнее время требования к отверстиям возросли настолько, что возникла необходимость в переоценке качества сверл применительно к прецизионному сверлению, получению глухих отверстий и микропереходов, появилась необходимость в обработке новых радиотехнических материалов.

Чтобы выбирать инструмент и понять различия в их характеристиках,

разделим сверла на две группы — в зависимости от диаметра и технологического предназначения. По величине рабочего диаметра инструмент можно условно разделить на четыре подгруппы:

1) микросверла, диаметp которых лежит в диапазоне от 0,30 мм и меньше;

2) минисверла диаметром от 0,25 до 0,45 мм;