Технология печатных плат

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технология печатных плат



Введение

С приходом на рабочие места инженеров-разработчиков и конструкторов персональных ЭВМ, оснащенных системами автоматического проектирования (САПР) произошел качественный скачок в производительности труда при разработке и изготовлении такой продукции как модули ЭС на печатных платах (ПП). При этом оказывается возможным сосредоточить весь процесс проектирования на одном рабочем месте, т.е. отойти от традиционного распределения ролей между участниками проектирования схемы, конструкции и технологии. Это особенно актуально для фирм с малочисленным персоналом, где по экономическим соображениям невыгодно содержать отдельные конструкторские и технологические службы. В таких условиях специалист, берущийся за разработку модулей РЭА от электрической схемы до ее конструктивного воплощения, должен обладать знаниями из смежных областей, в частности, знать технологию ПП.



1. Виды печатных плат и конструкционные материалы для их производства

Печатные платы - это элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической цепи.

Печатные платы получили широкое распространение в производстве модулей, ячеек и блоков РЭА благодаря следующим преимуществам по сравнению с традиционным объемным монтажом проводниками и кабелями:

повышение плотности размещения компонентов и плотности монтажных соединений, возможность существенного уменьшения габаритов и веса изделий;

получение печатных проводников, экранирующих поверхностей и электро- и радиодеталей (ЭРЭ) в одном технологическом цикле;

гарантированная стабильность и повторяемость электрических характеристик (проводимости, паразитных емкости и индуктивности);

повышение быстродействия и помехозащищенности схем;

повышенная стойкость и климатическим и механическим воздействиям;

унификация и стандартизация конструктивных и технологических решений;

увеличение надежности узлов, блоков и устройства в целом;

улучшение технологичности за счет комплексной автоматизации монтажно-сборочных и контрольно-регулировочных работ;

снижение трудоемкости, материалоемкости и себестоимости.

К недостаткам следует отнести сложность внесения изменений в конструкцию и ограниченную ремонтопригодность.

Элементами ПП являются диэлектрическое основание, металлическое покрытие в виде рисунка печатных проводников и кон-тактных площадок, монтажные и фиксирующие отверстия.

Виды печатных плат. Основными видами печатных плат (ПП) являются однослойные ПП (ОПП), двусторонние ПП (ДПП), многослойные ПП (МПП), гибкие ПП (ГПП), гибкие печатные кабели (ГПК).

ОПП представляет собой основание, на одной стороне которого выполнен проводящий рисунок, а на другой размещаются электрорадиоэлементы (ЭРЭ) и интегральные микросхемы. Для соединения выводов навесных элементов с печатными проводниками служат монтажные отверстия и контактные площадки. Металлизированные контактные отверстия обеспечивают более надежное соединение.

ДПП имеет одно основание, на обеих сторонах которого выполнены проводящие рисунки и все необходимые соединения. Переход токопроводящих линий с одной стороны на другую осуществляется металлизированными монтажными отверстиями.

МПП состоит из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух и более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения.

МПП позволяет уменьшить габаритные размеры, вследствие повышения плотности монтажа, и трудоемкость выполнения монтажных соединений. При этом хорошо решается задача пересечения и распределения проводников. Однако технологический процесс изготовления МПП является сложным и трудоемким.

Многослойные печатные платы обеспечивают возможность передачи наносекундных сигналов без искажения за счет наличия экранирующих слоев и изоляционных прокладок между сигнальными слоями, короткие электрические связи, возможность увеличения числа слоев без значительного возрастания продолжительности технологического цикла и стоимости, возможность электрического экранирования, устойчивость к внешним воздействиям и др.

Недостатками МПП являются: малая площадь контакта сквозного металлизированного отверстия с торцами контактных площадок внутренних слоев, что может привести к разрыву электрических цепей при пайке ЭРИ или в процессе эксплуатации при механических и термических воздействиях; низкое качество химической меди, которую применяют в качестве подслоя перед гальваническим меднением элементов печатного рисунка; значительная разница ТКЛР меди, диэлектрика и смолы и пр.

МПП различаются по конструкции.

с открытыми контактными площадками;

с выступающими выводами;

попарного прессования;

послойного наращивания.

Особенностью конструкции МПП с открытыми контактными площадками является отсутствие электрической связи между слоями и ее появление только после установки и пайки выводов ЭРИ к контактным площадкам любого из слоев (рис. 1). Каждый слой (их может быть более 20-ти) изготавливают на одностороннем фольгированном диэлектрике химическим негативным методом. Отверстия в слоях получают штамповкой. После сборки, совмещения и склеивания слоев клеем БФ-4 на специальном приспособлении обеспечивается доступ к контактным площадкам внутренних слоев. Для увеличения площади контакта диаметр контактной площадки должен быть больше диаметра отверстия.



Рис. 1 Конструкция МПП с открытыми контактными площадками: 1 - открытые контактные площадки, 2 - печатный проводник, 3 - слой диэлектрика

К достоинствам МПП с открытыми контактными площадками следует отнести большое число слоев, ремонтопригодность, а к недостаткам -- невысокий класс точности (3-й).

В многослойных ПП с выступающими выводами электрическая связь между слоями выполняется с помощью печатных проводников внутренних слоев, отогнутых на наружный слой МПП и закрепленных изоляционными вкладками (рис. 2).

Рис. 2. Конструкция МПП с выступающими выводами: 1-накладка; 2 -- контактная площадка; 3 -- выступающий вывод; 4 -- печатный проводник

К преимуществам данного метода данной конструкции относятся: большое число слоев (до 15-ти); высокая механическая прочность; воз-можность параллельного выполнения операций.

При изготовлении МПП методом попарного прессования (рис. 3) сначала получают две ДПП с металлизированными отверстиями комбини-рованным негативным методом, затем их прессуют вместе с размещенной между ними изоляционной склеивающей прокладкой. После сверления в полученном полупакете сквозных отверстий получают рисунок наружных слоев и сквозные металлизированные отверстия. Затем эти полупакеты прессуют, сверлят сквозные отверстия и получают рисунок наружных слоев и металлизированные отверстия комбинированным позитивным методом. Таким образом, осуществляют электрические соединения между на-ружнымппи и внутренними слоями МПП.

Рис. 3. МПП, изготовленная методом попарного прессования

К недостаткам метода попарного прессования можно отнести: дли-тельный технологический цикл последовательного выполнения операций; большое количество химико-гальванических операций и др.

При изготовлении МПП методом послойного наращивания (рис. 4) сначала на первый слой перфорированного диэлектрика напрессовывается медная фольга с одной стороны, затем проводится операция химико-гальванического меднения. При этом медь полностью заполняет отверстия в диэлектрике и осаждается на поверхности диэлектрика, свободной от фольги. На этом сформированном проводящем слое выполняется рисунок схемы химическим негативным методом. Затем напрессовываетя второй слой перфорированного диэлектрика, проводится химико-гальваническое меднение отверстий и на поверхности диэлектрика выполняется рисунок второго слоя и т. д. Связь между слоями осуществляется при помощи столбиков меди в отверстиях.

Рис. 4. МПП, изготовленная методом послойного наращивания

ГПП имеют гибкое основание. По расположению проводников она аналогична ОПП или ДПП.

ГПК состоит из тонких полосок проводящего материала (обычно меди), расположенных параллельно и заклеенных между двумя пленками изоляционного материала. Число проводников может быть от 2 до 50. Их ширина и межцентровые расстояния сопрягаются со стандартными разъемами. Они применяются для соединений узлов и блоков РЭА, занимают меньшие объемы и легче круглых жгутов и кабелей, а их производство может осуществляться непрерывно на рулонном материале.

По виду материала основы ПП разделяют на

изготовленные на основе органического диэлектрика (текстолит, гетинакс, стеклотекстолит);

изготовленные на основе керамических материалов;

изготовленные на основе металлов.

По виду соединений между слоями различают ПП с металлизированными отверстиями, с пистонами, изготовленные послойным наращиванием, с открытыми контактными площадками.

По способу изготовления ПП разделяют на платы, изготовленные химическим травлением, электрохимическим осаждением, комбинированным способом.

По способу нанесения проводников ПП делят на платы, полученные обработкой фольгированных диэлектриков, нанесением тонких токопроводящих слоев. Последний способ хорошо отработан на технологии гибридных схем.

Широкое распространение получают МПП на керамической основе. По сравнению с органическими диэлектриками керамика позволяет улучшить теплоотвод, повысить плотность компоновки микросхем (особенно с использованием микрокорпусов). К недостаткам керамических МПП следует отнести их большую массу и небольшие максимальные линейные размеры (ограничены технологией порядка 150 х 150 мм).

Металлические ПП изготавливаются на основе стальных, алюминиевых и инваровых листов. Пластины окисляются и покрываются слоем керамики, эмали, лака или другого диэлектрика. Поверх наносятся печатные проводники, пленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности, а затем монтируются микросхемы (как правило, бескорпусные). Преимущества - сравнительно невысокая стоимость, неограниченные размеры, высокая теплопроводность, высокая помехозащищенность, высокая прочность и теплостойкость. Недостатки - высокая удельная емкость проводников и большая масса.

Конструкционные материалы для производства печатных плат.

Печатные платы выполняют прямоугольной формы. Максимальный размер любой из сторон не должен превышать 470 мм. При увеличении размеров плат снижается их жесткость и виброустойчивость.

Основание ПП изготавливают из изоляционного материала, который должен: хорошо сцепляться с металлом проводников, иметь диэлектрическую проницаемость не более 7 (для уменьшения паразитных емкостей между печатными проводниками), малый тангенс угла диэлектрических потерь, обладать достаточно высокой механической и электрической прочностью, допускать возможность обработки резанием и штамповкой, сохранять свои свойства при воздействии климатических факторов, а также в процессе создания рисунков проводников и пайки. Таким требованиям удовлетворяют гетинакс и стеклотекстолит и некоторые другие фольгированные и нефольгированные материалы.

Для изготовления ПП широкое распространение получили слоистые диэлектрики, состоящие из наполнителя и связующего вещества (синтетической смолы, которая может быть термореактивной или термопластичной), керамические и металлические (с поверхностным диэлектрическим слоем) материалы. Выбор материала определяется электроизоляционными свойствами, механической прочностью, обрабатываемостью, стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся климатических условий, себестоимостью. Большинство диэлектриков выпускается промышленностью с проводящим покрытием из тонкой медной электролитической фольги, которая для улучшения прочности сцепления с диэлектрическим основанием с одной стороны оксидирована или покрыта слоем хрома (1-3 мкм). Толщина фольги стандартизирована и имеет значения 5, 18, 35 и 50, 70, 105 мкм. Фольга характеризуется высокой чистотой состава (99,5%), пластичностью, высотой микронеровностей 0,4-0,5 мкм.

В качестве основы в слоистых пластиках используют электроизоляционную бумагу или стеклянную ткань. Их пропитывают фенольной или фенолэпоксидной смолой. Фольгирование диэлектриков с одной или с двух сторон осуществляют прессованием при температуре 160-180 °С и давлении 5-15 МПа. Фольгированные слоистые диэлектрики поставляются в виде листов размерами от 400 до 1100 и толщиной 0,06-3 мкм. Их используют при субтрактивных методах изготовления ПП и МПП. Гетинакс, обладая удовлетворительными электроизоляционными свойствами в нормальных климатических условиях, хорошей обрабатываемостью и низкой стоимостью, нашел применение в производстве несложной РЭА. Для ПП, эксплуатирующихся в сложных климатических условиях, используют более дорогие, обладающие лучшими техническими характеристиками стеклотекстолиты. Они отличаются широким диапазоном рабочих температур (-60 ... +150°С), низким (0,2-0,8%) водопоглощением, высокими значениями объемного и поверхностного сопротивлений, стойкостью к короблению. Наличие в коммутирующих устройствах мощных цепей питания и блоков высокого напряжения увеличивает опасность возгорания ПП. Повышение огнестойкости диэлектриков достигается введением в их состав антипиренов.

Ниже в таблице представлены материалы основания ПП, наиболее часто используемые в настоящее время для изготовления ОПП, ДПП.

Материал	Марка	Толщина, мм	Материал	Марка	Толщина, мм
Гетинакс фольгированный	ГФ-1-35	1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0	Диэлектрик фольгированный общего назначения с гальваностойкой фольгой	ДФО-1, ДФО-2 (фольга 35 мкм) ДФС-1, ДФС-2 (фольга 20 мкм)	0,06-2,0
Гетинакс фольгированный с гальваностойкой фольгой	ГФ-1-35Г ГФ-2-35Г ГФ-1-50Г ГФ-2-50Г		Диэлектрик фольгированный самозатухающий с гальваностойкой фольгой
Стеклотекстолит фольгированный	СФ-1-35 СФ-2-35 СФ-1-50 СФ-2-50	0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0	Стеклотекстолит фольгированный с повышенной на-гревостойкостью	СФПН-1-50 СФПН-2-50	0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0
То же с гальваностойкой фольгой			Стеклотекстолит фольгированный общего назначения	СОНФ-1 СОНФ-2	--
Стеклотекстолит теплостойкий фольгированный с гальваностойкой фольгой	СТФ-1-35 СТФ-2-35 СТФ-1-18 СТФ-2-18	0,08; 0,1; 0,13; 0,2; 0,15; 0,3; 0,25; 0,5; 0,35; 0,8; 1,5; 2,5; 1; 2;3	Гетинакс фольгированный общего назначения	ГОФ-1-35Г ГОФ-2-35Г	--
			Стеклотекстолит с двусторонним адгезионным слоем	СТЭК	1,0; 1,5
Стеклотекстолит теплостойкий и негорючий фольгированный с гальваностойкой фольгой	СТНФ-1-35 СТНФ-2-35 СТНФ-1-18 СТНФ-2-18		Стеклотекстолит теплостойкий, армированный алюминиевым протектором	СТПА-5-1 СТПА-5-2 (фольга 5 мкм)	0,1-2,0
Стеклотекстолит листовой	СТЭФ-1-2ЛК	1;2	Стеклотекстолит с катализатором	СТАМ	0,7-2,0
Стеклотекстолит электротехнический	СТЭФ-ВК-1-1,5		Фольгированный армированный фторопласт	ФАФ-4 (фольга 35 мкм)	--
Стеклотекстолит фольгированный теплостойкий	СТФТ	--	Стеклотекстолит теплостойкий	СТАЛ (фольга 5, 18, 35, 50, 70 и 100 мкм на медном или алюминие-вом протек-торе)	--

Фольгированные стеклотекстолиты марки СФ (СФ-1-35, СФ-2-35 и др.) рекомендуются для изготовления ПП, эксплуатируемых при t0 до 120 0С. Более высокими физико-механическими свойствами и теплостойкостью обладает стеклотекстолит марок СФПН-1-50, СФПН-2-50.

Для МПП и ГПП применяют теплостойкий диэлектрик марок СРФ-1, СТФ-2 и травящийся стеклотекстолит марок ФТС-1, ФТС-2.

В наименовании марки материала буквы означают: Г - гетинакс; С - стеклотекстолит; Т - теплостойкий; О - общего назначения; Н - негорючий или нормированной горючести; Ф - фольгированный; 1 - 2 - облицованный фольгой с одной стороны или двух сторон; цифры: 5, 9, 12, 18, 35, 50, 70, 100, 105 - толщину фольги в мкм.

По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение. Однако у них есть ряд недостатков: худшая механическая обрабатываемость; более высокая стоимость; существенное различие (примерно в 10 раз) коэффициента теплового расширения меди и стеклотекстолита в направлении толщины материала, что может привести к разрыву металлизации в отверстиях при пайке или в процессе эксплуатации.

Для изготовления ПП, обеспечивающих надежную передачу наносекундных импульсов, необходимо применять материалы с улучшенными диэлектрическими свойствами (уменьшенным значением диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь). Поэтому к перспективным относится применение оснований ПП из органических материалов с относительной диэлектрической проницаемостью ниже 3,

Нефольгированные диэлектрики применяют при полуаддитивном и аддитивном методах производства ПП. Для улучшения прочности сцепления металлического покрытия с основанием на его поверхность наносят тонкий (50-100 мкм) полуотвержденный клеевой слой (например, эпоксидкаучуковую композицию). Введение в лак, пропитывающий стеклоткань, 0,1-0,2 мас. % палладия, смеси палладия с оловом или закиси меди незначительно снижает сопротивление изоляции, но повышает качество металлизации.

Соединение отдельных слоев МПП осуществляют специальными склеивающими прокладками, которые изготавливают из стеклоткани, пропитанной недополимеризованной эпоксидной смолой. Содержание смолы в прокладках должно быть в пределах 42-52%, а летучих веществ не более 0,75 %. Длительное сохранение клеящих свойств межслойных прокладок достигается их консервацией в герметически упакованных полиэтиленовых мешках при пониженной (+10°С) температуре.

Для производства печатных кабелей применяют армированные фольгированные пленки из фторопласта-4 и полиэфирные пленки. Прямое прессование медной фольги с термопластичным основанием позволяет добиться геометрической стабильности материала при кратковременном изменении температуры до 180-200 °С. Более высокой термостабильностью (до 250 °С), прочностью на растяжение, несгораемостью, радиационной стойкостью, а также способностью к равномерному травлению в щелочных растворах обладают полиимидные пленки, но высокая стоимость и водопоглощение ограничивают их широкое применение коммутационными ДПП и МПП в микроэлектронной аппаратуре. Термопластичные материалы, обладающие повышенной текучестью, используются при изготовлении рельефных ПП. К ним относятся сложные композиции, основу которых составляют полиэфирсульфоны и полиэфиримиды. Введение в пластмассы стеклянного наполнителя увеличивает их рабочую температуру до 260 °С, что позволяет проводить пайку монтируемых элементов расплавлением дозированного припоя в паровой фазе.

В качестве основы для ПП СВЧ-диапазона используют неполярные полимеры (фторопласт, полиэтилен, полипропилен), полярные (полистирол, полифениленоксид) и их сополимеры. Направленное изменение свойств термопластичных материалов достигается наполнением (алунд, двуокись титана), армированием (стеклоткань) и плакированием (медная фольга).

В настоящее время наиболее распространённым во всем мире базовым материалом для производства двухсторонних и многослойных печатных плат, а так же для производства односторонних печатных плат с повышенными требованиями к механической прочности является стеклотекстолит фольгированный марки FR-4. Стандартный FR-4 представляет собой композитный материал на основе стекловолокна (стеклотекстолит). Стандартный FR-4 толщиной 1,6 мм состоит из восьми слоев ("препрегов") стеклотекстолита.

Керамические материалы характеризуются высокой механической прочностью, которая незначительно изменяется в диапазоне температур 20-700 °С, стабильностью электрических характеристик и геометрических параметров, низким (0-0.2%) водопоглощением и газовыделением при нагреве в вакууме, хрупкостью и высокой стоимостью. Промышленность выпускает их в виде пластинок размером от 20х16 до 60х48 мм с высотой микронеровностей 0,02-0,1 мкм и разнотолщинностью ±0,01-0,05 мм. Они предназначены для изготовления одно- и многослойных коммутационных плат микросборок для СВЧ диапазона.

Металлические платы примеПрняются в изделиях с большой токовой нагрузкой, работающих при повышенных температурах. В качестве основы используется алюминий или сплавы железа с никелем. Изолирующий слой на поверхности алюминия получают анодным оксидированием. Варьируя состав электролита и режим электролиза, можно формировать оксидные пленки толщиной от нескольких десятков до сотен микрон с сопротивлением изоляции 109-1010 0м. На стальных основаниях изолирование токопроводящих участков осуществляют с помощью специальных эмалей, изготавливаемых в виде тонких пленок. В состав эмалей входят оксиды магния, кальция, кремния, бора, бериллия, алюминия или их смеси, связка (поливинилхлорид, поливинилацетат или метилметакрилат) и пластификатор. Пленка соединяется с основанием путем прокатки между вальцами с последующим вжиганием. Таким образом, можно создавать многослойные структуры с различными механическими и электрическими характеристиками.

Для изготовления ГПК, выдерживающих многократные (до 150) изгибы на 90° с радиусом 3 мм, приме-няют фольгированный лавсан и фторопласт. Материалы с толщиной фольги 5 мкм позволяют изготовить ПП 4-го и 5-го классов точности.

Конструктивно-технологические требования к печатным платам.

Допустимую токовую нагрузку на элементы проводящего рисунка в зависимости от допустимого превышения температуры проводника относительно температуры окружающей среды выбирают (ГОСТ 32751-86)

для фольги - от 100 до 250 А/мм2

для гальванической меди - 60...100 А/мм2

что значительно больше плотности тока допустимой для круглых проводников.

По плотности проводящего рисунка печатные платы и ГПП делятся на пять классов (ГОСТ 32751-86) . Первый характеризуется наименьшей плотностью поводящего рисунка, а пятый наиболее высокой. Наименьшие номинальные значения ширины печатных проводников и пробельных участков для плат первого класса составляют 0,75 мм, а для пятого - 0,1 мм.

Форма, протяженность и расположение печатных проводников могут быть произвольными в зависимости от конструктивных особенностей схемы. Однако во всех случаях не допускаются резкие перегибы, острые углы и переходы резкое изменение ширины и острые углы снижают механическую прочность сцепления проводников с основанием и в процессе нагрева при пайке возможно отслоение.

Соединения металлических проводников с навесными элементами осуществляется контактными отверстиями и контактными площадками круглой, прямоугольной и другой формы. Для образования контактной площадки проводник в местах пайки расширяется до диаметра на 2,..3 мм больше диаметра контактного отверстия. Если расстояние с соседними проводниками не большое, то допускается срез.

Диаметры монтажных и переходных отверстий, металлизированных и не металлизированных, должны соответствовать ГОСТ 10317 - 79, который устанавливает ряд отверстий от 0,4 до 3,0 мм с шагом 0,1 мм. Из этого ряда исключаются диаметры отверстий 1,9 и 2,9 мм.

На одной ПП не рекомендуется иметь более 3-х значений диаметров разных отверстий, т.к. это затрудняет их обработку в связи с необходимостью частой смены инструмента.

Правила выполнения чертежей ПП определены Гост 10317-79. Основной шаг координатной сетки 2,5 мм. При использовании шага, менее основного, следует применять шаг равный 1,25 0,625; 0,5 мм.

С 1 января 1998 г. для размещения соединений на ПП основным шагом координатной сетки является шаг 0,5 мм в обоих направлениях. Если координатная сетка с номинальным шагом 0,5мм не удовлетворяет требованиям конкретной конструкции, то должна применяться координатная сетка с основным шагом 0,05 мм. Для конкретных конструкций, использующих элементную базу с шагом 0,625 мм, допускается применение шага координатной сетки 0,625 мм. Шаг координатной сетки выбирают в соответствии с шагом большинства ЭРЭ, устанавливаемых на ПП. Если есть необходимость применить шаг координатной сетки, который отличается от основных шагов, то он должен быть кратным основным шагам.

Предпочтительными являются следующие шаги координатной сетки:

n · 0,05 мм, где n = 5, 10, 15, 20, 25;

n · 0,5 мм, где n = 1, 2, 5, 6, 10.

Допустимые шаги координатной сетки - дюймовые шаги, которые применяют в конструкции ПП, использующих ЭРЭ с шагом, кратным 2,54 мм:

n · 2,54 мм;

n · 0,625 мм.

Координатную сетку наносят сплошными тонкими линиями. За начало координат принимается центр крайнего левого и нижнего конструктивного или технологического отверстия. Допускается за начало координат принимать крайний левый нижний угол платы или точку, образованную линиями построения плат.

Центры монтажных отверстий располагаются в точках пересечения координатной сетки и задаются нумерацией отверстий с занесением их координат в таблицу или нумерацией линий координатной сетки.

Проводники на чертеже изображаются одной линией, являющейся осью симметрии проводника при ширине проводника более 2,5 мм они могут изображаться двумя линиями и выделяться зачернением или штриховкой.



2. Основные операции изготовления ПП

2.1 Механическая обработка ПП

Механическая обработка ПП включает раскрой листового материала на полосы, получение из них заготовок, выполнение фиксирующих, технологических, переходных и монтажных отверстий, получение чистового контура ПП. Размеры заготовок определяются требованиями чертежа и наличием по всему периметру технологического поля, на котором выполняются фиксирующие отверстия для базирования деталей в процессе изготовления и тестовые элементы. При прессовании МПП на технологическом поле образуется зона некачественной пропрессовки пакета, которая удаляется при обработке контура. Ширина технологического поля не превышает 10 мм для ОПП и ДПП и 20-30 мм для МПП. Малогабаритные платы размером до 100 мм размещают на групповой заготовке площадью не менее 0,05 м2 с расстоянием 5-10 мм между ними.

Выбор метода получения заготовок определяется типом производства. В крупносерийном и массовом производстве раскрой листового материала осуществляют штамповкой на кривошипных или эксцентриковых прессах с одновременной пробивкой фиксирующих отверстий на технологическом поле. Для уменьшения вероятности образования трещин, сколов, расслоений и повышения точности обрабатываемый материал прижимают к плоскости матрицы фольгированной стороной. Вырубку в штампах производят как в холодном, так и в нагретом до 80-100 °С состоянии материала. Прогревают материал при получении сложного контура ПП и его толщине свыше 2 мм.

Заготовки ПП в единичном и мелкосерийном производстве получают разрезкой на одно - и многоножевых роликовых или гильотинных ножницах. Применяемые ножи должны быть установлены параллельно друг другу с минимальным зазором 0,01-0,03 мм по всей длине реза.

Фиксирующие отверстия диаметром 4-6 мм выполняют штамповкой или сверлением с высокой точностью (0,01-0,05 мм). Для сверления используют универсальные станки, в которых точность достигается применением кондукторов, или специальное полуавтоматическое оборудование, которое в одном цикле с обработкой пакета заготовок предусматривает пневматическую установку штифтов, фиксирующих пакет. Сверление ведут спиральными сверлами из быстрорежущей стали или твердых сплавов при скорости 30-50 м/мин и подаче 0,03-0,07 мм/об. Биение сверла при обработке не должно превышать 0,03 мм. Повышение точности сверления фиксирующих отверстий достигается их развертыванием при скорости 10-30 м/мин и ручной подаче инструмента.

Аналогичными методами выполняют и технологические отверстия, которые используют для предотвращения смещения заготовок слоев МПП в процессе прессования, но к точности их обработки не предъявляются такие жесткие требования, как к точности обработки фиксирующих отверстий, по которым идет совмещение заготовок с фотошаблонами и отдельных слоев в пакете.

Монтажные и переходные отверстия получают также штамповкой и сверлением. Пробивку отверстий на универсальных или специальных штампах применяют в тех случаях, когда отверстие в дальнейшем не подвергается металлизации и его диаметр не менее 1 мм. При пробивке отверстий в односторонних фольгированных диэлектриках применяют штампы с увеличенным зазором между пуансоном и матрицей, обеспечивающим затягивание фольги в отверстие, чем достигается его частичная металлизация. Максимальная глубина затягивания фольги в отверстия диаметром 1-1,3 мм достигается при технологическом зазоре 0,4+0,2 мм. Если плата имеет высокую плотность монтажа, большое количество отверстий и малый шаг координатной сетки, то применяют последовательную пробивку на нескольких штампах. Применение универсальных штампов, в которых необходимое количество отдельных пуансонов набирается в специальном трафарете, делает процесс штамповки экономичным в условиях мелкосерийного производства.

Металлизированные монтажные и переходные отверстия обрабатывают с высокой точностью на специализированных одно- и многошпиндельных сверлильных станках с ЧПУ. Эти станки имеют координатный стол с автоматической системой позиционирования, сверлильные шпиндели с бесступенчатым регулированием скорости и систему ЧПУ позиционного типа. В зависимости от размеров обрабатываемых плат и требуемой производительности станки можно оснастить различным числом шпиндельных головок. Каждый шпиндель имеет независимый привод скоростей, в связи с чем за одну установку и по одной общей программе могут обрабатываться отверстия разных диаметров.

Для обработки металлизированных отверстий используются специальные спиральные сверла из металлокерамических твердых сплавов. Их стойкость при обработке фольгированных стеклотекстолитов составляет 3000-7000 тыс. отверстий, при наличии лакового покрытия на ПП стойкость инструмента уменьшается в 2-3 раза. Номинальное значение диаметра сверла следует выбирать исходя из зависимости

dсв = d + 0.7(Д1+ Д 2),

где d - номинальный диаметр отверстия, мм; Д 1 - допуск на этот диаметр, мм; Д 2 - допустимое уменьшение диаметра обрабатываемого отверстия после охлаждения слоистых пластиков, мм.

Повышение температуры в зоне обработки при сверлении слоистых пластиков приводит к наволакиванию размягченной смолы на кромки контактных площадок, препятствующему последующей металлизации отверстий. Для устранения этого недостатка предлагается ряд усовершенствований: применение охлаждающих агентов, не содержащих смазок (вода, водяной туман, очищенный сжатый воздух и т. п.); двойное сверление; наложение на поверхность платы алюминиевых листов; разработка сверл с дополнительными режущими кромками, направленными в сторону, противоположную основным, и т. п. Однако все перечисленные способы оказываются малоэффективными в условиях массового производства. Предлагаемый фирмой IBM (США) процесс лазерного фрезерования хотя и устраняет наволакивание смолы на торцы контактных площадок, но не исключает ее стеклование на поверхности стенок отверстия. Наиболее эффективным средством устранения наволакивания признана последующая гидроабразивная очистка.

Чистовой контур ПП получают штамповкой, отрезкой на гильотинных ножницах или на специальных станках с прецизионными алмазными пилами, фрезерованием. Повышение производительности фрезерных работ достигается групповой обработкой пакета ПП толщиной 10-30 мм. Для исключения повреждения их поверхностей между отдельными заготовками прокладывают картон, а пакет помещают между прокладками из листового гетинакса.

В последнее время для чистовой обработки все большее распространение получают контурно-фрезерные многошпиндельные станки с ЧПУ, которые обеспечивают хорошее качество кромок ПП и точность размеров в пределах ±0,025 мм, позволяют обрабатывать внешние и внутренние контуры за одно крепление, характеризуются высокой производительностью (1500-2000 плат/ч) и надежностью. Они снабжены устройствами для автоматической смены фрез, защитными скафандрами для ограждения оператора от шума, пыли и стружки при обработке, бесступенчатым регулированием частоты вращения инструмента в диапазоне 15-60 тыс./мин.

Подготовительные операции предназначены для обеспечения качества при выполнении основных процессов формирования элементов печатного монтажа. Они включают очистку исходных материалов и монтажных отверстий от окислов, жировых пятен, смазки, пленок и других загрязнений, активирование поверхностей проводящего рисунка, специальную обработку диэлектриков, а также контроль качества подготовки. В зависимости от характера и степени загрязнений очистку (активирование) проводят механическими, химическими, электрохимическими, плазменными методами и их сочетанием.

Механическая подготовка в условиях мелкосерийного производства осуществляется вручную смесью венской извести и шлиф-порошка под струей воды. Экономически оправдано применение механизированных и автоматических конвейерных линий в условиях крупносерийного и массового производства. Инструментом на этих линиях служат абразивные круги, капроновые или нейлоновые щетки, на которые подается абразивная суспензия. В некоторых зарубежных установках для зачистки используются круги из нетканого нейлона, насыщенные мелкодисперсным порошком карборунда или алунда, которые для устранения перегрева обильно смачивают водой. Для очистки монтажных отверстий от наволакивания смолы и других загрязнений широко применяются установки гидроабразивной обработки, в которых платы со скоростью 0,2-0,4 м/мин проходят рабочую, промывную и сушильную камеры установки. В рабочей камере через инжекторные форсунки, качающиеся вокруг оси с частотой 35-100 циклов в минуту, под давлением 0,5-0,7 МПа подается пульпа, состоящая из абразивного порошка и воды. Подача воды под давлением 1-1,2 МПа обеспечивает тщательную промывку отверстий в следующей камере. Сушка заготовок осуществляется сжатым воздухом.

Химическая и электрохимическая подготовка поверхности проводится в ваннах с различными растворами при покачивании плат и последующей их промывкой, а механизированная - на автооператорных линиях модульного типа по заданной программе.

Высокое качество и производительность обеспечивает плазменная очистка ПП, которая устраняет использование токсичных кислот, щелочей и их вредное воздействие на обслуживающий персонал, материалы обработки и окружающую среду. Установки плазмохимической обработки состоят из реактора, мощного ВЧ-генератора, устройства управления и регулирования процессов, вакуумного насоса. Плазмообразующий газ, состоящий из кислорода (70%) и тетрафторметана (30%), подается в камеру со скоростью 600-900 см3/мин. Мощность ВЧ-генератора регулируется в диапазоне 0-4000 Вт, а частота составляет 13,56 МГц. На установке одновременно обрабатывается до 15 плат размером 45х60 см, каждая из которых имеет до 3000 отверстий. Длительность операции очистки пакета - 10... 16 мин.

Специальная обработка диэлектрического материала при изготовлении МПП или ПП аддитивными методами заключается в его подтравливании и придании шероховатости для увеличения прочности сцепления с металлизацией. Подтравливание диэлектрика проводится последовательной обработкой сначала в серной кислоте, а затем в плавиковой или в их смеси (5:1) при температуре 50-60°С. Серная кислота образует с эпоксидной смолой сложный, растворимый в воде, сульфированный полимер, а обнажившееся стекловолокно вступает в реакцию с плавиковой кислотой. Скорость травления составляет 40-80 мкм/мин. После обработки платы нейтрализуют в растворе щелочей и тщательно промывают.

Увеличение шероховатости диэлектрических поверхностей и клеевых композиций достигается механической (гидроабразивной) или химической обработкой.

Контроль качества подготовки металлических поверхностей заготовок ПП оценивают по полноте смачивания их водой. Состояние диэлектрических поверхностей проверяют микроскопическими исследованиями, измерением высоты микронеровностей, проведением пробной металлизации и оценкой ее прочности сцепления с основанием. Объективным показателем качества является также проверка сопротивления изоляции после пребывания в камере влажности.

К подготовительным операциям относится упаковка ПП, которая производится на автоматическом оборудовании. Заготовки со скоростью 120-240 шт./ч помещаются между слоями полиэтиленовой пленки, которая при помощи тепловой обработки заваривается с четырех сторон и образует герметичную упаковку.

2.2 Формирование токопроводящих элементов ПП

Технология металлизации.

Формирование токопроводящих элементов ПП осуществляется двумя основными методами: химическим (бестоковым) и электрохимическим. Химическая металлизация используется в качестве основного слоя при изготовлении плат аддитивным методом, при этом после соответствующей активации на них осаждают химическим способом проводящий слой толщиной до 3 мкм, а затем его усиливают гальваническим способом до необходимой толщины, так как гальваническое осаждение значительно дешевле. В основном этот метод применяют для осаждения меди и никеля в межслойных переходах ПП.

Процесс химической металлизации основан на окислительно-восстановительной реакции ионов металла из его соли в определенной среде, при которой необходимые для восстановления катионов металла электроны получают в результате окисления специальных веществ, называемых восстановителями.

Для создания межслойных переходов в ПП и для изготовления проводящего рисунка плат используют, как правило, восстановительную ванну для меднения в одном из растворов, приведенных в таблице.

Разбавленные растворы (1) характеризуются более высокой стабильностью, чем концентрированные (2 и 3), но в них выделение меди происходит с низкой скоростью. При температуре ванны в 35-40 °С получают за 30 мин слой меди толщиной 0,5 мкм. Высокопроизводительные восстановительные ванны для меднения позволяют при температуре примерно 50 °С осадить слой в 25 мкм в течение 4 ч. Для облегчения удале-ния водорода, выделяющегося в процессе меднения, в растворы вводят поверхностно-активные вещества (моющее средство), а процесс ведется с плавным покачиванием плат (8-10 колеб./мин при амплитуде 50-100 мм).

В последнее время рекомендуют применять для получения металлического проводящего слоя также ванны для химического никелирования, которые являются более стабильными и простыми в управлении. В ванны добавляют стабилизаторы, способствующие тому, что реакции происходят только на нужной поверхности, а не в растворе. При температуре 52-54 °С, рН=5ч6 и соотношении площади поверхности и объема ванны 1 дм2/л за 7-10 мин образуется слой никеля толщиной в 1 мкм.

Формирование рисунка печатных плат.

Нанесение рисунка схемы на ПП необходимо для получения защитной маски требуемой конфигурации при осуществлении процессов металлизации и травления. Наиболее распространены в промышленности сеткографический (офсетной печати) и фотохимический методы.

Сеткографический метод получения рисунка ПП (рис 5)основан на применении специальных кислотостойких быстросохнущих красок, которые после продавливания через трафарет закрепляются на поверхности заготовки в результате испарения растворителя. Основными видами специальных трафаретных красок являются следующие: защитные щелочесмываемые; защитные гальваностойкие, смываемые органическим растворителем (хлористым метиленом). Для получения маркированных знаков используются трафаретные пентафталевые краски.

Качество наносимого защитного слоя определяется вязкостью используемых трафаретных красок. Ее оптимальная величина устанавливается исходя из температуры, номера сетки, характера изображения, наличия орошения формы и др. При оптимальном значении вязкости краска не должна самопроизвольно растекаться ни по печатной форме, ни по заготовке, должна легко и равномерно растекаться под воздействием ракеля и продавливаться сквозь отверстия печатающих элементов формы.

Рис. Сеткографический способ нанесения защитного рельефа: 1 -- трафарет; 2 -- краска; 3 -- основание ПП

Ракель обычно изготавливают из листовой маслобензостойкой резины толщиной около 8 мм и высотой не менее 25 мм. Тщательно отполированная поверхность ракеля обеспечивает высокое качество.

Заготовка в станках трафаретной печати устанавливается с технологическим зазором 2-3 мм. Увеличение зазора приводит к повышению четкости рисунка, но одновременно повышается износ сетки. Постепенный отрыв сетки от заготовки в процессе нанесения рисунка уменьшает и его искажение, и износ сетки. Нанесение защитной краски через сетчатый трафарет осуществляется автоматическим оборудованием, которое включает загрузочное устройство, машину для рихтовки плат, сеткографический станок, сушильную печь, накопитель готовых изделий.

Загрузка ПП в станок происходит посредством ленточного конвейера. Подведенная заготовка фиксируется в рабочей зоне на штифтах с точностью ±25 мкм и закрепляется при помощи вакуумной системы. Краскодозирующим устройством краска подается в зону обработки, а ракель продавливает ее через ячейки трафарета. В системе управления ракелем регулируется угол наклона, скорость движения, давление и диапазон хода. Время, затрачиваемое на один цикл печатания, составляет 5-7 с. Смена трафарета и настройка станка на новый тип плат производится по контрольному шаблону. В станках для одновременного нанесения рисунка на две стороны заготовки ПП устанавливается вертикально.

Закрепление краски на заготовке осуществляется сушкой. Краски с органическими растворителями сушат в туннельных конвейерных печах горячим воздухом при температуре 150-180 °С или под действием ИК-излучения. Краски мгновенной сушки, содержащие мономерно - полимерные композиции и фотоинициатор, закрепляются под воздействием ультрафиолетовых лучей. Однако они имеют небольшой срок хранения и высокую стоимость.

Срок хранения отпечатанных плат в условиях производства составляет 3-5 суток. При больших сроках хранения становится затруднительным удаление краски. Снимают трафаретную краску 3-5%-ным раствором горячей (40-60°С) щелочи в течение 10-20 с. Аналогично промываются сетчатые трафареты после работы.

Сетчатые трафареты представляют собой металлическую раму из алюминиевого сплава, на которую натянут тканый материал, к которому предъявляют следующие требования: материал ткани должен быть проч-ным на разрыв, устойчив к растяжению, истиранию, бездефектным, не должен взаимодействовать с растворителями трафаретной краски, величина просветов должна быть в 1,5--2 раза больше толщины нити.

Сетчатые трафареты изготавливают из синтетических тканей (капро-на), из металлических сеток (латунь, бронза, коррозионно-стойкая сталь) и из комбинированных сеток, в которых металлическая центральная часть, со-ответствующая размеру рабочего поля, вклеивается в натянутую на раму ка-проновую ткань клеем «Адгезив-2В» или клеем «Виланд-5К», а капрон под металлической сеткой удаляют концентрированной азотной кислотой. Пред-приятия в основном используют сетки из капрона, реже из нержавеющей стали, еще реже из полиэфирных волокон.

Наибольшую точность и долговечность имеют сетки из нержавеющей стали или фосфористой бронзы с размером ячеек 40...50 мкм; наибольшую эластичность -- сетки из лавсана, капрона, металлизированного нейло-нового моноволокна. Сетка равномерно натягивается в раме с заданным уси-лием на пневматических установках натяжения сетки (например, ПУНС-901).

Одним из недостатков сеток является их растяжение при многократном использовании, поэтому важнейшей их характеристикой является тираже-устойчивость. Самая большая тиражеустойчивость у сеток из нержавеющей стали (до 20 тыс. отпечатков с одной сетки), далее идут полиэфирные сетки (до 10 тыс. отпечатков) и капроновые (до 5 тыс.).

Прямой и косвенный методы сеткографии.

Для получения рисунка трафарета применяют прямой или косвенный способы.

При прямом способе на натянутые сетки с временной подложкой из полиэтилентерефталатной пленки наносится фотополимеризующаяся ком-позиция методом полива («Полисет», или типа ФСТ (ТУ610-028-029), или композиция «Фотосет-Ж» -- для синтетических тканей), и получают изо-бражение схемы фотохимическим способом (экспонирование через ФШ. проявление, дубление, промывка, обезжиривание, контроль качества). Для экспонирования изображения на сетку может быть использована установка экспонирования сетчатых трафаретов УЭСТ-901А, выпускаемая АООТ НИТИ-ТЕСАР (г. Саратов).

При косвенном способе рисунок схемы переносится на сетку из пле-ночных материалов, таких как пленка СПФ, пигментная бумага (ТУ29-01-06--70) и др. Достоинством косвенного метода является высокое качество изображения, недостатком -- низкая тиражестойкость трафарета (до 600 от-тисков), длительность процесса его изготовления. Получение рисунка трафа-рета возможно также с применением фоторезиста марки «Фотосет-Ж» (ТУ6-15-1467--84), который наносится на натянутую сетку, обработанную в адге-зионном составе, поливом. Затем на сетку устанавливают ФШ с антиадгези-онным слоем (5%-ный раствор парафина и уайтспирита), чтобы не прилип к сетке, и проводят экспонирование изображения в течение 3...5 мин при ос-вещенности 3000...3500 лк. Проявляют этиловым спиртом при помощи ватного тампона.

Достоинством фоторезиста «Фотосет-Ж» является высокая тираже-стойкость и разрешающая способность (40 линий/см), что позволяет полу-чать ПП по 3--4 классу точности (порядка 0,2 мм ширина проводников и расстояний между проводниками), короткий процесс изготовления трафа-рета и способность полимеризоваться в жидком состоянии. После нанесе-ния изображения участки сетки, свободные от рисунка, покрывают клеем БФ-4.

Фотографический метод предусматривает нанесение на поверхность заготовки ПП специальных светочувствительных материалов - фоторезистов, негативных или позитивных. Негативные фоторезисты образуют при воздействии света защитные маски вследствие реакции фотополимеризации, при этом облученные участки остаются на плате, а необлученные удаляются при проявлении. В позитивных фоторезистах под действием света происходит фотодеструкция органических молекул, облученные участки удаляются при проявлении. Фоторезисты могут быть жидкими и пленочными. Жидкие фоторезисты значительно дешевле пленочных, для работы с ними требуется несложное оборудование. Применение пленочных фоторезистов значительно упрощает ТП (исключаются операции сушки, дубления, ретуширования) и обеспечивает нанесение защитных слоев при наличии монтажных отверстий.

Жидкие позитивные фоторезисты на основе диазосоединений имеют повышенную разрешающую способность, химическую стойкость, в них отсутствует темновое дубление. Наносят жидкие фоторезисты окунанием, центрифугированием, накаткой валками, разбрызгиванием. При покрытии окунанием заготовки погружаются в кювету с фоторезистом и вытягиваются с постоянной скоростью (10-50 см/мин). Толщина слоя определяется вязкостью, скоростью вытягивания и колеблется от 4 до 8 мкм. Способ обеспечивает двустороннее нанесение фоторезиста. Недостатком является неравномерность нанесенного слоя. Применение центрифугирования и накатки валками приводит к повышению равномерности наносимых слоев. Валковые конвейерные установки имеют секции инфракрасной сушки резиста.

Сухие пленочные фоторезисты (СПФ) представляют собой структуру, состоящую из свето-чувствительного слоя, который помещается между защитной полиэтиленовой и светопроницаемой лавсановой пленками. Типичная толщина СПФ 20, 40 и 60 мкм, защитных СПФЗ 90, 110, 130 мкм. Тонкие слои СПФ применяют в качестве маски при травлении меди с пробельных мест, средние - для создания рисунка при нанесении слоя металлизации, а толстые - для защиты отверстий с металлизацией при травлении. Фоторезисты наносят на платы валковым методом при нагреве до 105-120 °С и плотно прикатывают к поверхности заготовки для удаления воздушных включений. Реализующие этот метод установки называются ламинаторами. Они снабжены терморегуляторами, тарированными устройствами прижима подающих валков, устройствами для обеспечения давления на заготовку и обрезания фоторезиста после его нанесения.

Экспонирование предназначено для инициирования фотохимических реакций в фоторезистах. Оно проводится в установках, состоящих из источников света, работающих в ультрафиолетовой области, рефлекторов и коллиматоров. Для плотного прилегания фотошаблонов к заготовкам плат используют рамы, оснащенные специальными откачными системами для создания вакуума.

Для проявления СПФ используют два вида установок: камерные для мелкосерийного производства и конвейерные для серийного производства. Камерные установки имеют насос для подачи проявителя под давлением, систему струйной промывки, змеевики охлаждения проявителя, таймеры, систему терморегулирования и устройства фильтрации проявителя. Конвейерные установки имеют зоны загрузки, первичного проявления, допроявления и промывки плат. Установки оснащены регуляторами скорости конвейера и давления жидкости, системами охлаждения и терморегулирования, основными и вспомогательными насосами фильтрации жидкости и отстойниками промывных вод.

После проявления оставшийся фоторезист должен быть твердым, блестящим, сплошным покрытием на поверхности заготовки с хорошей адгезией к ней, без проколов и других дефектов.

Травление меди с пробельных мест представляет собой сложный окислительно-восстановительный процесс удаления меди с непроводящих (пробельных) участков. Травление выполняют химическим или электрохимическим способом. Для химического процесса разработаны и используются в промышленности многочисленные составы на основе хлорного железа, персульфата аммония, хлорной меди, хромовой кислоты, и др. Выбор травильного раствора определяется типом применяемого резиста, скоростью травления, величиной бокового подтравливания, возможностью регенерации и экономичностью процесса.

Скорость травления меди зависит от состава травителя, условий его доставки в зону обработки, температуры раствора и количества меди, перешедшей в раствор. Скорость травления оказывает существенное влияние на качество формируемых элементов ПП. При малых скоростях время пребывания платы в травителе увеличивается, что приводит к ухудшению диэлектрических свойств оснований и увеличению бокового подтравливания. Величина бокового подтравливания оценивается фактором травления K=S/a, который представляет собой отношение толщины фольги S к величине изменения ширины печатного проводника а. Уменьшают фактор травления введением в используемые растворы специальных добавок: ионы металлов с более низким потенциалом, чем у меди (Ag, Hg, Pt, Pd, Au).

Технологический процесс травления состоит из операций предварительной очистки меди, повышающей равномерность ее удаления, непосредственно удаления меди с пробельных участков платы, очистки поверхности диэлектрика, осветления при необходимости поверхности металлорезиста и сушки.

Наибольшее распространение в технологии производства ПП получили травильные растворы на основе хлорного железа. Они отличаются высокой и равномерной скоростью травления, малой величиной бокового подтравливания, высокой четкостью получаемых контуров, экономичностью. Скорость процесса в свежеприготовленном растворе составляет 40 мкм/мин, но по мере накопления в нем ионов меди постепенно снижается и при 100 г/л составляет 5-6 мкм/мин. Повышение температуры и рН травителя относительно оптимальных значений приводит к образованию смеси фильтрующейся меди и оксида железа, который адсорбируется поверхностью диэлектрика, с трудом удаляется при промывке и ухудшает изоляционные свойства подложки.

...