Гибкие, гибко-жесткие печатные платы. Конструкции и особенности технологий изготовления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Национальный исследовательский университет "МИЭТ"

Курсовая работа

по дисциплине: Конструкции и сборка аппаратуры ТКС

на тему: Гибкие, гибко-жесткие печатные платы. Конструкции и особенности технологий изготовления

Выполнил:

Попов С.А.

Проверил:

Тихонов К.С.

Москва, 2013 год



Содержание

Введение

1. Производство ГПП без металлизированных отверстий

2. Производство ГПП с металлизированными отверстиями

3. Производство многослойных ГПП и ГЖПП

Заключение

Список источников



Введение

В течение последних лет все большей популярностью пользуются гибкие и гибко-жёсткие печатные платы (ГПП и ГЖПП). Их применение наиболее актуально в области портативной электроники в качестве соединителей между различными частями электронных устройств, выполненных на базе жёстких печатных плат, а также в качестве замены кабельных соединений. Кроме того, на базе гибких печатных плат могут выполняться катушки индуктивности, антенны и т. д.

Область применения гибко-жёстких печатных плат ещё более обширна: в любом электронном изделии, требующем миниатюризации и/или объёмного размещения блоков и модулей, может использоваться гибко-жёсткая печатная плата. На сегодняшний день технология их производства является наиболее дорогостоящей среди всех видов печатных плат, а также не имеет высокой серийности, т. к., фактически производство осуществляется в лабораторных условиях. Однако, высокий спрос на данный вид продукции и быстрые темпы развития электронного рынка в целом, обуславливают постепенный переход на серийное изготовление все более и более сложных изделий.

Рисунок 1. - Общий вид ГПП:

ГПП - это всевозможные системы гибких шлейфов, которые могут содержать одно-, двух- и многослойные структуры между соединений. Их конструкции могут быть полностью гибкими или представлять собой комбинацию жестких и гибких частей. Эта плата выполнена на тонком и гибком основании. Основная область использования ГПП - соединители деталей электронных устройств на базе жёстких печатных плат.

Постоянно растущий спрос на гибкие схемы и, в особенности, на гибридные многослойные ГЖПП обусловлен их достоинствами.

Достоинства.

Как следует из названия, гибко-жесткая печатная плата представляет собой конструкцию, сочетающую гибкие и жесткие части. На рис. 1 показана простейшая конструкция, в которой две жесткие части соединены гибким кабелем. В результате применения появляется возможность размещения двух плат «этажеркой» с отказом от разъемов.

Применение гибко-жестких плат позволяет в ряде случаев:

- Уменьшить габариты и вес устройства;

- Встроить электронику в корпус сложной формы;

- Отказаться от соединительных разъемов;

- Повысить надежность соединений;

- Упростить монтаж;

- Увеличить системную надежность;

- Динамическую гибкость;

- Управляемое волновое сопротивление линий связи;

- Улучшить тепловое рассеивание;

- Разнообразить конструкции линий передач.

Уменьшение габаритов и веса устройства

Немножко нетипичное пока для российских производителей изделие, тем не менее, наиболее ярко демонстрирующее преимущества гибко-жестких плат - переносные mp3-плееры на базе флэш-памяти. Два основных требования пользователя mp3-плеера - малый вес (устройство носят на шее или в нагрудном кармане) и малые габариты. Именно тут в полной мере проявляются преимущества гибко-жестких плат. Типичная конструкция внутренностей такого плеера - «этажерка» из трех или четырех печатных плат, соединенных гибкими шлейфами. За счет низкого профиля компонентов результирующая толщина плеера может составлять не более 10-20 мм при размерах 30?30 мм., очень достойные величины для устройства такой сложности (рис. 2 и рис 3).

Рисунок 2. - Миниатюрная печатная плата из нескольких частей:

Рисунок 3. - Миниатюрная ГЖПП на панели для монтажа:

Корпус сложной формы: мобильный телефон, Домашний телефон-трубка, Миниатюрная радиостанция, слуховой аппарат, медицинский носимый прибор. Все эти устройства сходны в одном - адаптация к человеческому телу, а значит - очень сложная форма корпуса.

Встроить довольно сложную электронику в такой корпус практически невозможно без применения гибко-жестких конструкций (представлены на рис. 4 и рис 5).

Рисунок 4 - Вариант ГПП для телефона-трубки:

Рисунок 5. - Печатные платы для встроенной фотокамеры:

Отказ от разъемов.

Если, например, имеется очень плотно насыщенное компонентами изделие, состоящее из вычислительной платы и платы индикации и управления.

Платы у него соединены через штыревой разъем.

Тогда, если необходимо добавить в новую версию устройства дополнительную электронику, но места для компонентов под них на платах нет, можно заменить соединение через разъем гибко-жестким соединением.

Благодаря этому освободится несколько квадратных сантиметров поверхности на обеих платах, что даст возможность не только реализовать эту задачу, но и удешевить изделие в целом за счет снижения стоимости монтажа, сборки в корпус и тестирования.

Повышение надежности соединений.

Известно, что одна из проблем эксплуатации электронных изделий в условиях вибрации, воздействия влаги и температурных перепадов - проблема ухудшения контакта в разъемных соединениях. Это особенно типично для автомобильной техники, бортовой электроники и прочих устройств, эксплуатируемых отнюдь не в «комнатных условиях». Также немаловажно это бывает и для носимых устройств, часто подвергаемых падению, перегреву или переохлаждению, воздействию влаги, пота, едких испарений и пр. Гибко-жесткое соединение плат в таком устройстве успешно устраняет проблему потери контакта (рис. 5).

Упрощение монтажа изделия.

Рассмотрим типичный блочный конструктив с несколькими модулями, подключенными к единой кросс-плате, с дальнейшим выходом проводки на внешние разъемы блока (рис. 6).

Такая конструкция характерна для выполнения различной бортовой аппаратуры, измерительной, управляющей и др.

Для такого «блочного» исполнения ключевым фактором применения гибко-жесткой конструкции является отказ от распайки внутриблочных коммуникаций.

Это существенно ускоряет монтаж блока, упрощает сборку, повышает качество готового изделия и надежность (долговечность) вследствие отказа от проводных паяных соединений (или от «накрутки» проводов).

Включая экономическую точку зрения, можно сформулировать вывод: ГЖПП, как правило, стоит дешевле, чем обычная, жесткая ПП, разъемы и кабели, при более высокой надежности изделия.

Увеличенная системная надежность.

Специалисты по надежности всегда при поиске источников отказов электронной аппаратуры ищут дефекты между соединений.

Академик Берг в свое время заявил: «Наука о надежности - это наука о контактах. Чем их больше, тем менее надежна система». Гибкие печатные платы - идеальное средство для уменьшения контактов.

Рисунок 6. - 16-слойная ГЖПП:

Когда они сконструированы должным образом и рационально применяются в электронной компоновке, они способствуют увеличению надежности, сокращая количество между соединений в пределах электронного модуля или блока.

Динамическая гибкость.

Устойчивость к многократным динамическим изгибам - одно из важнейших свойств гибких печатных плат.

Другие решения для гибких между соединений, типа плоского ленточного кабеля.

Тоже можно удовлетворительно использовать в подобных случаях, но гибкие печатные платы превосходят их как стандартный метод создания надежной взаимосвязи между перемещающимися частями (рис. 7).

Малая толщина материалов оснований, в сочетании с очень тонкой медной фольгой, дает гибким платам значительные преимущества в создании динамически устойчивых между соединений.

Управляемое волновое сопротивление линий связи.

Почти все материалы оснований гибких печатных плат имеют электрические характеристики, благоприятно сказывающиеся на формировании линий передач: однородность материалов и электрические свойства на высокой частоте. Благодаря этому относительно просто реализовывать гибкие схемы с высоким быстродействием линий передач.

Рисунок 7. - ГПП в приводе дисковода:

При наличии однородности материалов единственное требование производства - обеспечить адекватную однородность проводников на всей их длине, то есть точно воспроизводить их геометрию, чтобы достичь требуемого значения характеристик линии связи. Обычно используют линии с волновым сопротивлением 50 Ом - для гибких печатных плат это достигается без затруднений. Более высокие значения волнового сопротивления обеспечиваются большей толщиной гибкой печатной платы, из-за чего она теряет в гибкости.

Чтобы решить эту проблему без увеличения толщины, приходится выполнять линию передачи весьма тонкими проводниками, а это может повлечь за собой потерю точности воспроизведения ширины проводника и сокращение выхода годной продукции.

К счастью, для быстродействующих линий передач уменьшение сечения проводника мало сказывается на их работоспособности, поскольку на больших частотах довлеет явление скин-эффекта - вытеснение тока на поверхность проводника, за счет чего эффективно используемое сечение проводника уменьшается в большей мере, чем площадь его физического сечения.

Улучшенное тепловое рассеивание.

Плоские проводники имеют большую поверхностность, чем круглый провод, за счет чего более эффективно рассеивается тепло. Это первое преимущество. Далее, если сравнивать гибкие и жесткие платы, очевидно, что путь теплопередачи из жесткой печатной платы больше, чем из тонкого гибкого основания.

Мало того, рассеивание тепла из гибкой печатной платы идет на обе стороны, что намного увеличивает эффективность теплового отвода. Тем не менее, следует учесть, что в жестких печатных платах, в отличие от гибких, можно использовать толстый внутренний слой теплового отвода.

Разнообразие конструкций линий передач.

В дополнение к преимуществам применения гибких печатных плат в конструкциях линий передач необходимо отметить их свойство меньше искажать цифровые сигналы при больших длинах линий связи. Относительно малые значения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь - только один из факторов меньшего ослабления сигнала, чем в других конструкциях линий, использующих жесткие диэлектрики.

Кроме того, что гибкие печатные платы обеспечивают переход от одного устройства к другому без разъемов, создающих неоднородности в линии связи, их гибкость позволяет проектировать без ограничений такие экзотические конструкции, которые невозможно выполнить с использованием жестких материалов. Пример одной из таких конструкций показан на рис. 8.

Недостатки.

Гибкая часть печатной платы очень чувствительна к влаге, поэтому непосредственно перед монтажом обязательна длительная сушка гибких и гибко-жестких плат.



Рисунок 8. - ГПП предоставляют возможность создания необычных конструкций линий связи:

При неправильном сочетании материалов или размещении необязательных компонентов на гибкой части возможен излом.

Технологии изготовления ГПП и ГЖПП.

ГПП и ГЖПП бывают однослойные (одно- и двусторонние с металлизированными отверстиями и без) и многослойные.



1. Производство ГПП без металлизированных отверстий

Упрощенная схема процесса.

Классическая схема процесса представлена на рис. 9. Существуют варианты этой схемы, о чем будет сказано далее по результатам анализа отдельных технологических операций. Тем не менее, схема процесса изготовления однослойных гибких плат во многом совпадает с классическими схемами производства плат с жестким основанием, и отклонения от них могут быть вызваны только специфическими требованиями.

Рисунок 9. - Классическая схема изготовления ГПП без металлизации отверстий:

Отсутствие металлизированных отверстий удешевляет платы, но эффективность трассировок намного ухудшается.

Но, с другой стороны, в гибких платах без металлизации толщина проводников определяется толщиной фольги, поэтому они тоньше и обладают большей гибкостью. В связи с этим наибольшее их распространение - гибкие шлейфы для много цикловых перегибов.

Их можно видеть в приводах головок принтеров, дисководов, сканеров и т. п.

Для увеличения прочности паяных соединений выводов, компенсирующей отсутствие металлизированных отверстий, используют разветвленную форму контактных площадок, как показано на рис. 10.

Рисунок 10. - Дополнительные элементы крепления контактных площадок ля пайки выводов:

Далее, по этапам:

Выбор материала и нарезка заготовок.

Для резки на заготовки как фольгированного, так и рулонного материала (адгезива, склеивающего или покровного слоя) наиболее часто используют обычные высококачественные режущие устройства, применяемые для резки бумаги. Для резки рулонных материалов можно применять и автоматические бумагорезательные машины с автоматической раскладкой листов. Во избежание образования складок или деформирования материала нужно следить за остротою режущего инструмента. Высокоскоростные бумагорезательные машины гильотинного типа автоматически нарежут фольгированный материал по заданному размеру и обеспечат более высокое качество кромки, чем стандартные бумагорезательные машины. Тонкие фольгированные материалы с толщиной меди 18 мкм или не фольгированные пленки толщиной 12 микрон при резке иногда переслаивают бумагой, чтобы обеспечить более хорошую опору тонким заготовкам.

Очистка поверхности медной фольги перед нанесением фоторезиста.

а) Механическая очистка.

Механическую очистку медной фольги можно осуществлять как вручную, так и на конвейерных установках.

Ручная очистка кислой суспензией пемзы и вращающейся щеткой с пневматическим приводом используется для чистки гибких ламинатов весьма широко. Порошок пемзы с зернистостью 6 по ГОСТ 6456 или аналогичной импортной дает наилучшую поверхность для адгезии фоторезиста, и его гораздо легче отмыть, чем более мелкозернистые фракции. При чистке следует избегать приложения чрезмерно сильного или неравномерного давления на щетку, поскольку этим можно растянуть или деформировать материал, что приведет к появлению размерной нестабильности. Чтобы минимизировать подвижки материала при чистке, необходимо под пленочный материал положить резиновую опорную подкладку. После очистки поверхности надо полностью удалить все остатки пемзы очень тщательной промывкой (до получения поверхности, сохраняющей целостность пленки воды без разрыва). Если на поверхности сохранятся какие-либо остатки пемзы или следы масел, это может обусловить плохую адгезию фоторезиста и локальные дефекты травления.

После механической очистки и промывки во избежание потускнения от окисления заготовки нужно немедленно высушить. Конвейерные сушилки воздухом характеризуются наименьшей деформацией и короблением тонких материалов. Очень тонкие материалы могут иногда нуждаться в жестких транспортных подложках-спутниках.

Конвейерные установки очистки широко используются в промышленном производстве печатных плат. Вместе с тем, некоторые старые установки, изначально предназначенные для чистки поверхностей жестких материалов, могут деформировать тонкий гибкий материал. Когда вращающиеся щетки хорошо отрегулированы на обработку поверхности меди, нежный, ничем не поддерживаемый тонкий гибкий материал неизбежно будет растянут и деформирован. Конвейерные установки для очистки меди иногда можно использовать для фольгированных пленок толщиной 125 и 75 мкм или даже меньше, если требования к допускам на размеры не являются критически важными. В таких случаях, чтобы пропустить через конвейерную установку гибкие ламинаты, нужно прикрепить их к жестким подложкам-спутникам либо по передней кромке, либо по всей их поверхности. Недавно появившиеся высококачественные установки для очистки меди устраняют все эти проблемы.

Конвейерные установки очистки пемзой тоже можно эффективно применять для тонких ламинатов с минимальной деформацией материала. В таких установках они транспортируются без вспомогательных спутников, а суспензия пемзы подается на поверхность меди струйными системами.

б) Химическая очистка.

Тщательно контролируемая химическая чистка - отличный метод подготовки медной поверхности с минимумом деформаций ламината. Чтобы эффективно использовать химический метод очистки, нужно реализовать следующие цели:

- удаление загрязнения;

- удаление покрытий, защищающих поверхность от окисления и потускнения;

- микро травление поверхности меди.

Поверхности меди на фольгированных можно подготовить к наслоению фоторезиста по следующей методике:

- Кислое или щелочное обезжиривание;

- Обработка в подогретой серной кислоте (10%, 1 минута, 50°С). Удаление анти окислительного покрытия, защищающего от потускнения поверхности;

- Микро травление;

- Обработка в 10%-ной серной кислоте. Требуется после обработки в сульфатных растворах микро травления.

Формирование рисунка.

Ламинирование.

Для гибких печатных плат в основном используют сухой пленочный фоторезист (СПФ). Для нанесения СПФ на гибкий ламинат можно воспользоваться стандартной технологией ламинирования, но некоторые методы работы будут отличаться от приемов, используемых для жестких плат. Ламинатор должен обеспечивать горячее наслоение СПФ при условии тщательного подбора температуры валов, скорости конвейера и подачи воздуха применительно к конкретному типу примененного фоторезиста и конструкции платы. При использовании системы подачи воздуха рекомендуется работать на усиленных режимах.

Нанести фоторезист на чистую сухую поверхность меди нужно в течение 4 часов с момента операции очистки, иначе медь может окислиться, и хорошего сцепления фоторезиста с медью уже не получить.

Экспонирование.

Методы экспонирования гибкого ламината аналогичны тем, которые применяют при работе с жесткими материалами. Экспонирующие установки с фиксированным источником света обеспечивают быстрое экспонирование с высокой степенью разрешения. При хорошем вакуумном контакте шаблона с сухим пленочным резистом можно увидеть неподвижные кольца Ньютона на поверхности экспонируемой заготовки.

Проявление.

Проявление рисунка на фоторезисте заготовки целесообразно проводить в проявителе с химическим составом, соответствующим типу используемого резиста (водно-щелочное проявление, проявление в растворителях и т. д.).

Травление меди.

Адгезив, используемый для приклейки фольги к основанию, должен быть совместим с большинством коммерческих составов для травления меди, в том числе на основе аммиачного комплекса хлорной меди, кислого раствора хлорной меди и хлорного железа. Рисунок схемы формируется путем стравливания открытой меди. Травление ведется в струйных конвейерных линиях, что не всегда возможно из-за гибкости заготовок. Нужно или применять специальные машины, или загружать гибкие платы на конвейер травильной машины со специальными приспособлениями, или травить в ваннах с опрыскиванием.

Для обеспечения хорошей воспроизводимости заданного рисунка необходимо принимать во внимание время травления, чтобы и не травить, и не перетравить рисунок (рис. 11), а также травящую емкость раствора, его температуру. Если машины травления не снабжены автоматической регенерацией раствора, необходимо постоянно регулировать процесс, ориентируясь на тест-элемент, обязательно размещаемый на технологическом поле заготовки.

Рисунок 11. - Травление рисунка по фоторезисту:

После травления следует тщательная промывка при температуре 18…27°С для удаления всех следов травильного раствора, особенно на кромках и торцах заготовки.

При последующем прессования покровной пленки под воздействием температуры любые остатки травящего состава могут вызвать потемнение и окраску схемы. При травлении проводников с высоким профилем в щелочных растворах иногда необходимо прибегнуть к нейтрализации травящего состава (например, 1%-ной серной кислотой), чтобы удалить следы травителя с заготовки.

Удаление фоторезиста.

а) Удаление в водно-щелочной среде.

Водно-щелочные растворы для снятия фоторезиста зачастую представляют собой 1-3%-ный водный раствор щелочи (едкий натр или калий). Во избежание химического разрушения адгезива концентрация щелочи в растворе не должна превышать 5%, а температура обработки - 60°С.

б) Полуводные растворы для снятия фоторезиста.

Такие растворы обычно содержат фирменную химию, представляющую собой комбинацию щелочей (едкий натр, едкий калий), аминов и/или высококипящих растворителей. Ванну обычно готовят, залив 20-30% воды по объему, и работают при температуре 45…60°С. Время в ванне составляет порядка 2-5 минут.

в) Снятие резиста растворителями.

Очистка поверхности меди перед нанесением покровного слоя.

Для очистки можно использовать химический метод, описанный ранее.

Нанесение покровного слоя.

Покровный слой выполняет функцию защиты рисунка проводников (рис. 12). Вместе с тем, при правильном подборе его толщины, он позволяет медный рисунок так, что при изгибе он будет находиться на нейтральной линии и испытывать минимальные изгибные напряжения (рис. 13).

Рисунок 12. - Нанесение покровной пленки:

Для доступа к монтажным поверхностям покровная пленка должна иметь перфорации. Обычно их выполняют сверлением или штамповкой.



Рисунок 13. - Рисунок по линии сгиба:

Если производство специализировано под изготовление гибких шлейфов без металлизации отверстий, возможен вариант с использованием только химических операций, включая вытравливание в покровной пленке окон до медной поверхности (рис. 14). Травление отверстий в пленке в горячих щелочах в отличие от сверления - групповой процесс, который становится особенно рентабельным, когда количество отверстий на заготовке превышает несколько тысяч.

Рисунок 14. - Отверстия в покровном слое, выполненные травлением:

Где:

а) вид под микроскопом;

б) микрошлиф отверстия.

Термическая сушка перед пайкой. Горячую сушку для удаления поглощенной материалом влаги рекомендуется производить непосредственно перед операциями, связанными с быстрым ростом температуры во время пайки изделия. Поглощенная влага быстро испаряется при пайке волной припоя, что может вызвать расслоение или вздутие платы. Чтобы надежно удалить влагу, заготовки нужно подвесить в термическом шкафу и выдержать 30-60 минут при 120°С. После горячей сушки нужно как можно быстрее отправить изделие на пайку, чтобы избежать повторного поглощения влаги. Если для сушки используется вакуумная печь, то можно обойтись и более низкими температурами порядка 60…80°С. Вакуумные печи к тому же имеют еще одно достоинство: при отсутствии кислорода воздуха исключается окисление открытых поверхностей меди.

Лужение с выравниванием припоя.

Стандартные методы лужения жестких печатных плат можно применить и для гибких композиционных материалов семейства полиимидов. Однако некоторые операции, например, выравнивание горячим воздухом, требуют применения специальной оснастки для крепления изделия. Иногда наблюдается плохое смачивание контактных площадок припоем. Это происходит при использовании некоторых покровных пленок в качестве паяльной маски. Вероятной причиной этого дефекта, возможно, является перенос из этой пленки какой-то органики, которая не удаляется обычной химической очисткой площадок.

Очистка после лужения (удаление флюса).

Для пайки используют самые различные флюсы. Обычный метод очистки после пайки предусматривает щелочную очистку с легкой обработкой щеткой или абразивом. Высокоэффективная процедура, которая заодно снижает и ионные загрязнения, предусматривает следующие операции (рис. 15):

- Горячая щелочная ванна погружения;

- Промывка водопроводной водой;

- Горячая промывка водой (обычно эти промывки идут каскадом).



Рисунок 15. - Процедура удаления загрязнений после пайки:

Три каскада противоточной каскадной промывки при 80°С служат для удаления ионно-генных загрязнений и всех остатков флюса.

Высечка и обрезка по контуру.

Имеется в виду процесс извлечения платы из заготовки и придания ей конечной формы - обработка контура платы.

Высечка обычно осуществляется с помощью простого штампа (рис. 16). Для высечки больших партий плат, а также для вырубки контура с жесткими допусками (менее 125 мкм) применяют более точные и более дорогие сеченые штампы (рис. 17).

Рисунок 16. - Вырубной штамп:



Рисунок 17. - Высечка:

Фрезерование контура одно- и двусторонних гибких плат без сквозных металлизированных отверстий обычно стараются не применять, так как оно может дать грубую кромку.

Успешно применяется метод вырезки струей воды под большим давлением.

В последнее время для обработки плат по контуру используются лазеры. Кроме этого, они дают возможность вскрытия внутренних слоев меди для обеспечения доступа к монтажным элементам.

Необходимо избегать острых углов в контуре платы (производители обычно скругляют острые углы) и создания других очагов напряжений, которые в последующем могут инициировать разрывы. В критических местах для предотвращения разрыва края пленки целесообразно ставить «плотины» - медные перемычки.

Контроль качества.

Уровень и объем контроля качества готовой платы обычно задает заказчик, руководствуясь действующими на предприятии-изготовителе нормами и правилами приемки. Как правило, изготовитель имеет свои нормативы: технические требования в сочетании с ГОСТ 23751 и ГОСТ 23752 или свои технические условия, разработанные на основе международных стандартов МЭК или IPC (типовой проект IPC-2221).

Как итог, можно привести схему изготовления одно- и двухсторонних ГПП без металлизированных отверстий.



Рисунок 18. - Схема изготовления ГПП:

2. Производство ГПП с металлизированными отверстиями

Многие операции обработки плат с металлизированными сквозными отверстиями, или, как они будут называться далее, - двусторонних плат, аналогичны операциям, уже описанным выше (для ГПП без металлизации отверстий). Будут рассмотрены только те операции, которые ранее не были описаны.

Общее представление о схеме изготовления двусторонних ГПП с металлизированными отверстиями дает рис. 19, где показана последовательность операций с общей металлизацией всей поверхности вместе с металлизацией отверстий («тентинг-метод»).

Рисунок 19. - Последовательность изготовления ГПП с металлизацией отверстий:

Существуют два варианта подхода к их производству. Оба процесса предусматривают сверление отверстий и осаждение меди на стенки отверстий для создания электрического соединения между двумя сторонами платы. Однако само выполнение рисунка схемы можно выполнить либо по методу сплошной металлизации всей поверхности заготовки (тентинг-метод), либо селективной металлизации только рисунка схемы (комбинированный позитивный метод).

По технологии полной металлизации поверхности заготовки медь осаждают на всю поверхность и в отверстия и затем создают изображение схемы и вытравливают медь, используя органический пленочный фоторезист. Пленка фоторезиста после экспонирования и проявления оставляет на меди рельеф рисунка, который защищает от травления проводники и металлизированные отверстия. При этом пленка фоторезиста плотно закрывает отверстия с двух сторон, как бы накрывая их зонтиком. Отсюда укоренившееся в русской терминологии заимствованное название метода - тентинг-метод. В английской терминологии этот метод теперь называется Panel Plating, то есть металлизация панели (заготовки).

По технологии селективного наращивания меди на рисунке органический резист используется для того, чтобы оголить те участки меди, на которые будет произведено наращивание меди, а затем металлорезиста. Потом фоторезист совсем удаляют, расположенную под ним медь стравливают, а металлорезист применяют как защиту рисунка и металлизации отверстий от травления. В отечественных стандартах этот метод назван «Комбинированный позитивный метод», в английской терминологии - Pattern Plating, то есть металлизация рисунка.

Производство с технологией сплошного омеднения заготовки (тентинг-метод) отличается меньшей капиталоемкостью, поскольку содержит меньше операций и, значит, меньше оборудования. Но энергоемкость его больше, так как приходится тратить медь и энергию на металлизацию всей поверхности заготовки, потом ее же на 70% (с пробельных мест) приходится стравливать и затем регенерировать.

Мало того, разрешение рисунка по этому методу ограничено из-за необходимости травления толстых слоев меди и относительно большим размером контактных площадок, чтобы гарантированно защитить металлизированные отверстия пленкой фоторезиста от травления. Для гибких плат также существенно то, что при тентинг-методе создаются излишне толстые проводники, что снижает их устойчивость к многократным перегибам.

Металлизация только рисунка проводников (комбинированный позитивный метод) используется гораздо чаще, поскольку она обеспечивает хорошее разрешение рисунка проводников. Детально этих процессы рассматриваются далее.

Сверление отверстий и удаление заусенцев.

Подготовка к сверлению.

Гибкие заготовки укладывают в стопку между листами подкладочного материала с такими же размерами, как листы заготовки. Количество листов заготовок в стопке, чтобы получить хорошее качество сверления, не должно превышать 15.

Сверление.

Сверление отверстий в двусторонних основаниях - это процесс с большим технологическим окном, причем подача сверла на один оборот зависит от диаметра сверления.

Наилучшие результаты получают при использовании новых твердосплавных сверл, которыми можно высверлить 1000-3000 отверстий. Можно использовать и должным образом переточенные сверла, чтобы снизить расходы на замену сверл, хотя это и менее надежно. Тупые или неправильно переточенные сверла и неверные параметры сверления могут привести к перегреву зоны сверления, что отрицательно скажется на качестве отверстий.

Удаление заусенцев.

Заусенцы удаляют так, чтобы не деформировать края отверстий. К обычным методам относятся ручная обработка абразивом, обработка орбитальной шлифовальной машинкой, ручное удаление порошком и очистка на конвейерной установке в струйной установке с пемзой.

Гальваническое осаждение металлорезиста.

Металлорезист в виде гальванически осажденного олова или сплава олово-свинец осаждают на гальваническую медь. Он служит защитой (резистом) при травлении в технологии селективного омеднения рисунка схемы (комбинированный позитивный метод). Обычно 5-7,5 мкм металлорезиста вполне достаточно для того, чтобы защитить от травления металлизацию отверстий, медные проводники и контактные площадки при стравливании меди из зазоров (пробельных мест).

Рисунок 20. - Изготовление двусторонних ГПП с металлизацией отверстий по схеме комбинированного позитивного метода (Pattern Plating):

Гальванически осажденные олово или сплав олово-свинец можно использовать в качестве металлорезиста при омеднении отверстий внутренних слоев многослойных плат. Металлорезист после травления рисунка удаляется травлением, в результате на внутреннем слое остается только медная металлизация. (Альтернативой этому может быть использование вместо припоя сухого пленочного резиста, который выступает как резист травления по схеме тентинг-метода).

Стравливание гальванического олова или сплава олово-свинец - металлорезистов при травлении меди.

Нанесение покровного слоя по олову или припою принципиально недопустимо из-за его плавления под маской при групповом нагреве. Поэтому после использования в качестве металлорезиста при травлении рисунка олово или олово-свинец обычно снимают в растворе на основе азотной кислоты.

Как итог, можно привести схему изготовления двусторонних ГПП с металлизацией отверстий.

Рисунок 21. - Изготовление двусторонних ГПП с металлизацией отверстий по схеме тентинг-процесса (Panel Platting):

3. Производство многослойных ГПП и ГЖПП

Выбор материалов.

а) Толщина фольги.

С точки зрения обеспечения разрешающей способности рисунка и гибкости лучше выбирать наименьшую толщину медной фольги, удовлетворяющую электрическим требованиям схемы. Это позволит заодно получить более качественное травление и потребует меньше адгезива на покровной пленке для полной герметизации схемы. Сейчас все более широко начинают применять фольгу с условной толщиной 18 мкм (153), хотя в основном до сих пор используют фольгу в 35 мкм (305). Герметизация покровной пленкой вытравленных деталей с высоким профилем (в схемах с высокой плотностью монтажа и с толстой медью) весьма затруднена, обычно для этого требуются чрезмерные количества адгезива под покровным слоем.

б) Толщина адгезива.

При выборе толщины адгезива приходится решать противоречивые задачи: использовать минимальное количество адгезива, обеспечивающее полную герметизацию схемы и прессование без пор. Было выработано общее правило: применять 25 мкм адгезива для высоты профиля меди 18 мкм, 50 мкм адгезива для высоты меди 35 мкм и 100 мкм адгезива для высоты меди 70 мкм. Можно использовать и 25 мкм адгезива для высоты меди 35 мкм, если приложить достаточное давление и если проводники расположены не слишком плотно. Но тут нужна особая тщательность, чтобы обеспечить полную герметизацию межслойного пространства без пор.

При склеивании гибких внутренних слоев платы листовым адгезивом или склеивающим слоем нужно использовать минимальное количество адгезива, обеспечивающее прессование без образования пористости.

в) Толщина пленки.

В качестве фольгированного основания предпочтительна пленка толщиной 50 мкм. Она обеспечивает относительно лучшую размерную стабильность. Для покровной пленки нужно использовать пленку толщиной 25 мкм, поскольку она лучше облегает профиль проводников и тем самым лучше герметизирует схему. Применение более толстой пленки допускается только в тех случаях, когда это обусловлено особыми конструктивными требованиями.

г) Материалы для наружного слоя.

Независимо от типа применяемого материала, следует избегать присутствия проводников на наружном слое. При их наличии растет вероятность включения воздуха между покровной пленкой и платой.

Гибко-жесткие МПП.

Наружные слои гибко-жестких плат обычно выполняют из полиимида или эпоксидной смолы, армированной стеклотканью. Такое армирование повышает конструктивную прочность и плоскостность, необходимую для монтажа компонентов, а также улучшает устойчивость металлизированных отверстий к термоударам при пайке.

Толщина наружного слоя зависит от конструкции платы, но, как правило, она составляет 0,25 мм.

Гибкие многослойные платы.

Гибкие многослойные печатные платы могут быть выполнены полностью из гибких композиционных материалов, что обеспечит им некоторую гибкость. По мере увеличения толщины гибкость платы уменьшается, а возможность монтажа большего количества компонентов возрастает. Наружные слои в этом случае выполняют из одностороннего фольгированного композиционного полиимида.

Стабильность линейных размеров.

Размерная стабильность слоев с рисунком необходима для совмещения элементов между соединений в пространственных структурах многослойных плат. Чем лучше стабильность линейных размеров, тем меньше могут быть размеры контактных площадок для межслойных и сквозных отверстий МПП и тем большую плотность рисунка можно обеспечить.

Выполнение технических (базовых) отверстий.

Базовые (они же - технологические) отверстия необходимы для совмещения рисунков слоев и отверстий. Их выполняют по одному из двух вариантов.

1 вариант.

По первому варианту сверлят или вырубают отверстия в фольгированном диэлектрике и в покровной пленке по отдельности, затем их используют для совмещения при экспонировании, прессовании, сверлении и для нанесения перфорированной в нужных местах покровной пленки. Оформление отверстий выполняется после нанесения сухого пленочного резиста с тем, чтобы не проявленный фоторезист не оставался в технологических отверстиях. По данному методу эти отверстия в покровной пленке высверливают сверлами несколько большего диаметра, чтобы компенсировать движение материала при прессовании. Данный метод требует внесения масштабных поправок в программу сверления для компенсации прогнозируемого изменения размеров основы слоев после травления и прессования.

2 вариант.

Другой вариант - вырубка технологических отверстий на внутренних слоях после на прессовки покровного слоя. В этом случае для сверления или наведения вырубного штампа применяют оптические средства, а также используется возможность усреднения изменения размеров слоев, чтобы в два раза уменьшить не совмещение слоев.

Отмывка после травления рисунка.

После травления рисунка слои должны быть весьма тщательно отмыты, чтобы удалить следы травильного раствора с поверхности, особенно по кромкам проводников на участках с высокой плотностью рисунка и в области с плотной штриховкой слоев «земли» или полигонов. Внутренние слои подвергаются многократным температурным воздействиям в ходе прессования, дополнительной стабилизации и сушки. При воздействии температур остатки растворов на поверхности могут привести к потемнению и окраске многослойной платы. Очень сильное окрашивание может означать приверженность к расслоению.

Удаление фоторезиста.

Акриловый адгезив, применяемый в гибких композиционных материалах на основе полиимида, очень чувствителен к крепким щелочным растворам. Поэтому процесс и состав растворов нужно тщательно контролировать, чтобы предотвратить разбухание адгезива. Крепкие щелочные растворы могут повредить пленке, что помешает хорошему сцеплению между слоями.

Для предотвращения отрицательного воздействия на материалы нужно работать с минимальной продолжительностью операции, минимальной температурой и минимально возможной концентрацией. Нужно избегать использования растворов с температурой выше 60°С и рН выше 12,5.

Структуры многослойных конструкций.

Рисунок 22. - Типовая структура слоев ГЖПП, в которой покровной пленкой накрывают всю поверхность гибких слоев, в том числе и жесткую часть:

Процесс прессования в основном схож со способами прессования жестких многоуровневых печатных плат, за исключением некоторых особенностей:

- Температура прессования покровного слоя может быть снижена до 180°С, поскольку эти слои еще будут подвергаться воздействиям температур при многократном последующем прессовании;

- Необходимо обеспечить полное удаление газовых включений, дабы предотвратить расслоение при следующих высокотемпературных операциях;

- Для прессовых подушек лучше применять жесткую систему, чтобы получить плоскую поверхность покровной пленки для относительно легкого последующего прессования слоев в многослойную структуру. На всю поверхность гибких слоев гибко-жестких плат, включая ту, что входит в жесткую часть, наносят покровную пленку еще до прессования слоев.

Рисунок 23. - Типовая структура слоев многослойной ГПП:

Рисунок 24. - Многослойная ГПП с разветвлениями:



Естественно, операция опрессовывания внутренних гибких слоев покровной пленкой должна предшествовать прессованию слоев.

Рисунок 25. - Структура многослойной ГПП со склеивающими слоями:

Альтернативная конструкция предусматривает использование клеящего слоя между слоями, не имеющими покровных слоев. Недостатки этой конструкции - большая вероятность включений воздуха и сдвига слоев.

В гибких платах с малым количеством слоев метод склеивания всех слоев - склеивающими слоями может оказаться приемлемым.



Рисунок 26. - Схема процесса изготовления многослойных ГЖПП:

Но если количество слоев составляет 6 и более, то гибкость платы значительно уменьшается. Еще один метод склеивания гибких многослойных плат заключается в использовании листового адгезива между листами с вытравленными схемами и обратной стороной композита, как показано на рис. 25, под верхним слоем. Как и при использовании склеивающих слоев, тут тоже увеличивается вероятность захвата воздуха и сдвига слоев. Схематическое представление о взаимосвязанности и последовательности операций изготовления многослойных ГПП и ГЖПП было дано на рис. 26.



Заключение

Процесс изготовления многослойных гибких и гибко-жестких печатных плат значительно отличается от производства жестких многослойных плат. В первую очередь, это совершенно другие материалы на полиимидной основе. Их характерные особенности: более высокая температура прессования, усложнение процедур очистки отверстий, а также меньшая размерная устойчивость, что затрудняет совмещение элементов между соединений в многослойных структурах. Прежде чем производство гибких и гибко-жестких многослойных печатных плат будет поставлено на поток, освоение их технологий будет сопряжено с большими издержками (по большей части связанными с эксплуатацией нового технологического оборудования). плата диэлектрик металлизированный

Рынок гибких и гибко-жестких печатных плат растет, поэтому усилия на освоение их производства будут оправданны.

Размещено на Allbest.ru

...