Технология печатных плат

Травитель не пригоден для получения плат, покрытых металлорезистами на основе олова. В этом случае рекомендуется применять раствор персульфата аммония. Он дешевле хлорного железа, быстро приготавливается на рабочем месте, прозрачен и невязок, не образует шлама при травлении, легко поддается регенерации. Реакция сопровождается выделением тепла, что вызывает необходимость стабилизации температурного режима. Травление приводит к большому боковому подтравливанию медных проводников, сопровождается зубчатостью краев из-за различия скоростей химических реакций по зернам металла, а раствор склонен к саморазложению.

Стабильными параметрами травления характеризуются растворы на основе хлорной меди. Разработанные кислые и щелочные составы несколько уступают по скорости растворам хлорного железа, но намного их дешевле. В них не образуется шлам, ПП легко отмываются по после обработки, а боковое подтравливание не превышает 3-6 мкм. Отсутствие в растворе посторонних катионов позволяет проводить полную регенерацию в непрерывном замкнутом цикле. Повышение производительности процесса достигается использованием раствора на основе двух окислителей - хлорной меди и хлорного железа.

Травление меди в растворе перекиси водорода проводится в кислой среде с добавлением серной или соляной кислоты. Используемые травители совместимы практически со всеми типами резистов. Получаемая H2S04 является химически чистым веществом, легко извлекается и используется для технических целей. При накоплении 60-80 кг/м2 меди раствор истощается и скорость травления снижается. Полезную емкость по меди до 130 кг/м2 имеют солянокислые растворы. В них травящей способностью обладают не только исходные компоненты, но и продукты реакции. Процесс травления сопровождается поддержанием состава ванны и разложением перекиси водорода.

Химическое удаление меди проводится погружением ПП в травитель, наплескиванием раствора на их поверхность или разбрызгиванием через форсунки. Давление раствора в форсунках колеблется в пределах 0,1-0,5 МПа, а струя подается перпендикулярно поверхности платы или при небольшом отклонении от перпендикуляра. Постоянное обновление окислителя в зоне обработки и удаление продуктов реакции обеспечивают высокую производительность струйному травлению, а траектория струи - незначительное боковое подтравливание. Производительное технологическое оборудование компонуется по модульному принципу и содержит модули травления, регенерации, промывки, осветления и сушки, которые объединяются транспортной системой и системой трубопроводов. Автоматические модульные линии конвейерного типа оснащаются устройствами для контроля кислотности раствора, его температуры и давления в форсунках.

Электрохимическое травление ПП основано на анодном растворении меди с последующим восстановлением ионов стравленного металла на катоде. Такой процесс по сравнению с химическим травлением обладает рядом преимуществ: упрощением состава электролита, методики его приготовления, регенерации и очистки сточных вод, высокой и стабильной скоростью травления в течение длительного периода времени, экономичностью, легкостью управления и автоматизацией всех стадий.

Широкое применение электрохимического травления сдерживается неравномерностью удаления металла по плоскости платы, что приводит к образованию невытравленных островков. Полностью реализовать преимущества электрохимического метода позволяют подвижные носители заряда, которые представляют собой частицы графита в суспензированном электролите. Эти частицы принимают заряд с анода и переносят его на поверхность меди, переводя последнюю в ионную форму. Использование электрохимического травления сводит к минимуму боковое подтравливание токопроводящих дорожек и обеспечивает разрешающую способность, равную 70-100 мкм, но стоимость технологического оборудования превышает стоимость машин для химического травления.

После удаления меди с пробельных участков ПП промывают холодной проточной водой. Если на поверхности металлических резистов (особенно Sn-Pb) в результате химического взаимодействия с травителем образуются нерастворимые соединения, вызывающие потемнение и ухудшение их паяемости, то их осветляют при температуре 18-25 °С в течение 3-5 мин. Растворы осветления готовят на основе кислот и тиомочевины, например (г/л): соляная кислота - 50-60, тиомочевина - 90-100, этиловый спирт - 5-6, моющее средство или поверхностно-активное вещество - 1-10.



3. Технологические процессы изготовления односторонних и двусторонних печатных плат

3.1 Методы изготовления печатных плат

Методы изготовления ПП (рис.6) разделяют на две группы: субтрактивные и аддитивные.

Рис. 6

В субтрактивных методах (subtratio-отнимание) в качестве основания для печатного монтажа используют фольгированные диэлектрики, на которых формируется проводящий рисунок путем удаления фольги с непроводящих участков. Дополнительная химико-гальваническая металлизация монтажных отверстий привела к созданию комбинированных методов изготовления ПП.

При аддитивном методе исходным является нефольгированный диэлектрик Аддитивные (additio -прибавление) методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание, на которое предварительно может наноситься слой клеевой композиции. По сравнению с субтрактивными они обладают следующими преимуществами:

однородностью структуры, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином химико-гальваническом процессе;

устраняют подтравливание элементов печатного монтажа;

улучшают равномерность толщины металлизированного слоя в отверстиях;

повышают плотность печатного монтажа;

упрощают ТП из-за устранения ряда операций (нанесения защитного покрытия, травления);

экономят медь, химикаты для травления и затраты на нейтрализацию сточных вод;

уменьшают длительность производственного цикла.

Несмотря на описанные преимущества, применение аддитивного метода в массовом производстве ПП ограничено низкой производительностью процесса химической металлизации, интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик, трудностью получения металлических покрытий с хорошей адгезией. Доминирующей в этих условиях является субтрактивная технология, особенно с переходом на фольгированные диэлектрики с тонкомерной фольгой (5 и 18 мкм).

Субтрактивные методы.

По субтрактивной технологии рисунок проводников получается травлением медной фольги по защитному изображению в фоторезисте или металлорезисте. Применяются три разновидности субтрактивной технологии.

Первый вариант (рис. 7) - негативный процесс с использованием сухого пленочного фоторезиста (СПФ). Процесс достаточно простой, применяется при изготовлении односторонних и двухсторонних ПП. Металлизация внутренних стенок отверстий не выполняется. Заготовка - фольгированный диэлектрик. Методами фотолитографии с помощью сухого пленочного фоторезиста на поверхности фольги формируется защитная маска, представляющая собой изображение (рисунок) проводников. Затем открытые участки медной фольги подвергаются травлению, после чего фоторезист удаляется.

Второй вариант (рис. 8) - позитивный процесс. Создается проводящий рисунок двухсторонних слоев с межслойными металлизированными переходами (отверстиями). Сухой пленочный фоторезист (СПФ) наслаивается на заготовки фольгированного диэлектрика, прошедшие операции сверления отверстий и предварительной (5-7 мкм) металлизации медью стенок отверстий и всей поверхности фольги. В процессе фотолитографии СПФ защитный рельеф получают на местах поверхности металлизированной фольги, подлежащей последующему удалению травлением. На участки, не защищенные СПФ, последовательно осаждаются медь и металлорезист (сплав SnPb), в том числе и на поверхность стенок отверстий. После удаления маски СПФ незащищенные (более тонкие) слои меди вытравливаются. Процесс более сложный, однако, с его помощью удается получить металлизированные стенки отверстий.

Третий вариант (рис. 9) - так называемый тентинг-процесс. Как и в позитивном процессе, берется заготовка в виде фольгированного диэлектрика, формируются отверстия, проводится предварительная металлизация всей платы, включая внутренние стенки отверстий. Затем наносится СФП, который формирует маску во время фотолитографии в виде рисунка печатных проводников и образует завески - тенты над металлизированными отверстиями, защищая их во время последующей операции травления свободных участков медной фольги. В этом процессе используются свойства пленочного фоторезиста наслаиваться на сверленые подложки без попадания в отверстия и образовывать защитные слои над металлизированными отверстиями. Применение тентинг-метода упрощает технологический процесс изготовления двусторонних ПП с металлизированными отверстиями. Однако необходимо обеспечить гарантированное запечатывание отверстий фоторезистом. Кроме того, качество поверхности металла вокруг отверстий должно быть очень хорошим, без заусениц.

Для получения изображений используется пленочный фоторезист толщиной 15-50 мкм. Толщина фоторезиста в случае метода "тентинг" диктуется требованиями целостности защитных завесок над отверстиями на операциях проявления и травления, проводимых разбрызгиванием проявляющих и травящих растворов под давлением 1,6-2 атм. и более. Фоторезисты толщиной менее 45-50 мкм на этих операциях над отверстиями разрушаются.

Подготовка поверхностей заготовок под наслаивание пленочного фоторезиста с целью удаления заусенцев сверленых отверстий и наростов гальванической меди производится механической зачисткой абразивными кругами с последующей химической обработкой в растворе персульфата аммония или механической зачисткой водной пемзовой суспензией. Такие варианты подготовки обеспечивают необходимую адгезию пленочного фоторезиста к медной поверхности подложки и химическую стойкость защитных изображений на операциях проявления и травления. Кроме того, механическая зачистка пемзой дает матовую однородную поверхность с низким отражением света, обеспечивающая более однородное экспонирование фоторезиста.

Фоторезист наслаивается по специально подобранному режиму: при низкой скорости наслаивания 0,5 м/мин, при температуре нагрева валков 115 °С ± 5 °С, на подогретые до температуры 60 ч 80 °С заготовки. При экспонировании изображения используются установки с точечным источником света, обеспечивающим высококоллимированный интенсивный световой поток на рабочую поверхность с автоматическим дозированием и контролем световой энергии.

Субтрактивный метод получения рисунка проводников ПП основан на травлении медной фольги по защитной маске. Из-за процессов бокового подтравливания меди под краями маски поперечное сечение проводников имеет форму трапеции, расположенной большим основанием на поверхности диэлектрика. Величина бокового подтравливания и, соответственно, разброс ширины создаваемых проводящих дорожек зависит от толщины слоя металла: при травлении фольги толщиной 5 мкм интервал разброса ширины проводников порядка 7 мкм, при травлении фольги толщиной 20 мкм разброс составляет 30 мкм, а при травлении фольги толщиной 35 мкм разброс составляет около 50 мкм. Искажения ширины медных проводников по отношению к размерам ширины их изображений в фоторезисте и на фотошаблоне смещаются в сторону заужения. Следовательно, при субтрактивной технологии размеры проводников на фотошаблоне необходимо увеличивать на величину заужения. Из этого следует, что субтрактивная технология имеет ограничения по разрешению, которые определяются толщиной фольги и процессами травления. Минимально воспроизводимая ширина проводников и зазоров составляет порядка:

50 мкм при толщине фольги 5-9 мкм;

100 - 125 мкм при толщине проводников 20 - 35 мкм;

150 - 200 мкм при толщине проводников 50 мкм.

Аддитивные методы.

По способу создания токопроводящего покрытия аддитивные методы разделяются на химические и химико-гальванические. При химическом процессе на каталитически активных участках поверхности происходит химическое восстановление ионов металла. В разработанных растворах скорость осаждения меди составляет 2-4 мкм/ч и для получения необходимой толщины процесс продолжается длительное время.

Для изготовления печатных плат с шириной проводников и зазоров 50 -100 мкм с толщиной проводников 30-50 мкм рекомендуется использовать аддитивный электрохимический метод формирования рисунка, по которому проводники и изоляция между ними (диэлектрик) формируются селективным гальваническим осаждением проводников и формированием изоляции только в необходимых местах прессованием. Метод, как аддитивный, принципиально отличается от субтрактивного тем, что металл проводников наносится, а не вытравливается.

Рассмотрим 2 основных варианта аддитивного метода изготовления ПП: химический и химико-гальванический или комбинированный:

В первом варианте проводящие слои получают на основе восстанови-тельного осаждения, при этом возможно получать слои толщиной от 0,010 мкм, подбирая соответствующие условия осаждения (pH, t°,). Схема технологиче-ского процесса химического аддитивного метода включает:

. сверление и очистку отверстий в диэлектрике;

. сенсибилизацию и активизацию поверхности;

. создание защитного рельефа методом фотопечати;

. химическое меднение;

удаление фоторезиста;

. создание неметаллизированных отверстий;

. нанесение маски для пайки (трафаретная печать).

В комбинированном методе на поверхности нефольгированного ди-электрика сначала получают химическим методом слой меди толщиной 5 мкм, который служит основой для селективного гальванического наращива-ния рисунка проводника. Однако из-за неравномерного распределения плот-ности тока гальванических ванн, возможна неравномерная толщина покры-тий в отверстиях. Поскольку активация с помощью растворов SnCl2 и PbCl2 производится на всей поверхности ПП, то после создания защитного рельефа и гальванического наращивания необходима короткая операция травления тонкого слоя химически осажденной Cu с нежелательных мест.

Ниже приводится описание одного из вариантов изготовления печатной платы аддитивным методом.



Проводящий рисунок формируется (рис. 10) последовательным наращиванием слоев: 1 - получение на временных "носителях" - листах из нержавеющей стали - медной шины толщиной 2ч20 мкм; 2 - нанесение СПФ; 3 - формирование рисунка в СПФ; 4 - гальваническое осаждение тонкого слоя никеля (2ч3 мкм) и меди (30 ч 50 мкм) в пробельные места пленочного фоторезиста. В защитном рельефе пленочного фоторезиста на верхнюю поверхность сформированных проводников производится также нанесение адгезионных слоев (5). После этого пленочный фоторезист удаляется (6). При изготовлении ДПП подготовленные пластины разделяются пластиной препрега или другого диэлектрика (7) и спрессовываются (8), после чего механически удаляются носители (9). Если не нужны межслойные переходы, то медные шины стравливается и плата готова (10).

При изготовлении двухсторонних слоев с межслойными переходами перед травлением тонкой медной шины сверлятся и металлизируются отверстия. Проводящий рисунок, утопленный в диэлектрик и сверху защищенный слоем никеля, при травлении медной шины не подвергается воздействию травильного раствора. Поэтому форма, размеры и точность проводящего рисунка определяются формой и размерами пробельных мест в рельефе пленочного фоторезиста, т.е. процессами фотохимии (фотолитографии). Отсюда к процессам фотолитографии предъявляются более жесткие требования, в частности, оптической плотности белых и черных полей фотошаблонов, резкости края изображения, стабильности температуры и влажности в рабочих помещениях. Профиль фоторельефа пленочного фоторезиста зависит от применяемой модели светокопировальной установки. При экспонировании на установках с совершенной экспонирующей системой, обеспечивающей высокую коллимацию высокоинтенсивных световых лучей и отсутствие нагрева рабочей копировальной поверхности, фоторельеф имеет ровные боковые стенки с малым наклоном к поверхности подложки.

При обеспечении требуемых параметров технологического процесса аддитивная технология позволяет получать рисунок проводников на плате с большей точностью и воспроизводимостью:

ширина проводников, сформированных в рельефе пленочного фоторезиста, практически по всей высоте проводника равна ширине изображения на фотошаблоне, интервал разброса не превышает 5-10 мкм;

искажения ширины проводников на поверхности подложки относительно размеров на фотошаблоне в среднем составляют от 10 мкм до 20 мкм;

суммарный интервал разброса ширины проводников по всей высоте фоторельефа не превышает 15-20 мкм.

Таким образом, в отличие от субтрактивной технологии аддитивные процессы принципиально позволяют получать ПП по самым высоким классам точности.

Методы нанесения рисунка ПП.

Основными методами, применяемыми в промышленности для создания рисунка печатного монтажа, являются офсетная печать, сеткография и фотопечать. Выбор метода определяется конструкцией ПП, требуемой точностью и плотностью монтажа, производительностью оборудования и экономичностью процесса.

Метод офсетной печати состоит в изготовлении печатной формы, на поверхности которой формируется рисунок слоя. Форма закатывается валиком трафаретной краской, а затем офсетный цилиндр переносит краску с формы на подготовленную поверхность основания ПП. Метод применим в условиях массового и крупносерийного производства с минимальной шириной проводников и зазоров между ними 0,3-0,5 мм (платы 1 и 2 классов плотности монтажа) и с точностью воспроизведения изображения ±0,2 мм. Его недостатками являются высокая стоимость оборудования, необходимость использования квалифицированного обслуживающего персонала и трудность изменения рисунка платы.

Сеткографический метод основан на нанесении специальной краски на плату путем продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, на котором необходимый рисунок образован ячейками сетки, открытыми для продавливания. Метод обеспечивает высокую производительность и экономичен в условиях массового производства. Точность и плотность монтажа аналогичны предыдущему методу.

Самой высокой точностью (±0,05 мм) и плотностью монтажа, соответствующими 3--5 классу (ширина проводников и зазоров между ними 0,1-0,25 мм), характеризуется метод фотопечати. Он состоит в контактном копировании рисунка печатного монтажа с фотошаблона на основание, покрытое светочувствительным слоем (фоторезистом).

Однослойные ПП и ГПК изготавливают преимущественно субтрактивным сеточно-химическим или аддитивным методом, а ДПП и ГПП химико-гальваническим аддитивным или комбинированными фотохимическими (негативным или позитивным) методами. Производство МПП основано на типовых операциях получения ОПП и ДПП и некоторых специфических процессах, таких как прессование слоев, создание межслойных соединений и др. Выбор метода изготовления МПП определяется следующими факторами: числом слоев, надежностью соединений, плотностью монтажа, видом выводов устанавливаемых ЭРЭ и ИС, возможностью механизации и автоматизации, длительностью производственного цикла, экономичностью. Методы, основанные на использовании объемных деталей для межслойных соединений, характеризуются повышенной трудоемкостью, низкой надежностью, плохо поддаются автоматизации. Наиболее распространен из второй группы метод металлизации сквозных отверстий.

Пленочные технологии изготовления ПП.

Повышение требований к качеству ПП и стабильности их параметров привело к созданию ПП и МПП на керамических и полиимидных основаниях. Для изготовления таких плат применяются многочисленные методы, основанные на тонко- и толстопленочной технологии. При использовании тонкопленочной технологии диэлектрические и токопроводящие слои наносят с помощью одного из методов вакуумного испарения, которые характеризуются разнообразием применяемых материалов и возможностью создания многослойных структур в одном технологическом цикле. Недостатками метода являются низкая производительность, сложность технологического оборудования, необходимость вакуума. печатный плата технологический

При использовании толстопленочной технологии с помощью трафаретной печати создают изоляционные и проводящие слои, которые затем вжигают в основание. Так как керамика в неотожженном состоянии допускает механическую обработку для получения монтажных отверстий, то появляется возможность методом послойного наращивания формировать многослойные структуры с межслойными проводящими переходами. Метод обеспечивает высокую надежность изделий и производительность процесса без применения дорогостоящего оборудования. Однако при изготовлении многослойных проводящих структур требуются материалы со ступенчатыми температурами вжигания. Применение сырых керамических пленок позволяет параллельно изготавливать слои МПП. Собранные по базовым отверстиям пакеты заготовок спрессовываются при температуре 75-100 °С, а затем спекаются при 1500-1800°С. Скорость повышения температуры должна быть оптимальной и не приводить к растрескиванию подложки. Существенное уменьшение линейных размеров (на 17-20%) требует точного расчета при первоначальном нанесении рисунка на сырые листы.

Технологический процесс изготовления МПП на полиимидных пленках начинается с изготовления ДПП. С помощью двустороннего фототравления за один цикл формируются монтажные отверстия диаметром 50-70 мкм на пленке толщиной 50 мкм. При травлении образуется конусообразная форма отверстий, удобная для последующей вакуумной металлизации толщиной 1-2 мкм. После избирательного усиления металлизации слоем гальванической меди и технологическим покрытием (Sn--Ni, Sn--Bi, Sn--Pb) платы поступают на сборку. Многослойные ПП получают приклеиванием двухслойных плат через фигурные изоляционные прокладки из полиимида к жесткому основанию, на котором предварительно сформированы контактные площадки. В качестве основания используются металлические пластины с изолирующим слоем (анодированный алюминий, эмалированная сталь и др.). Электрическое соединение отдельных слоев проводится пайкой в вакууме. Таким образом, можно формировать платы с 15-20 слоями.

4. Технология изготовления многослойных печатных плат

Для изготовления МПП разработано много вариантов конструктивно-технологического исполнения, номенклатура их постоянно обновляется и совершенствуется. Практический опыт изготовления МПП показывает, что наиболее технологичным является вариант МПП с металлизацией сквозных отверстий. Он позволяет получать до 20 слоев МПП, характеризуется высокой плотностью, хорошим качеством межслойных соединений, относительной простотой и экономичностью. При этом методе используются: для наружных слоев односторонний фольгированный диэлектрик, для внутренних одно- или двусторонний фольгированный диэлектрик, а в качестве межслойной изоляции стеклоткань. Из этих материалов изготавливают заготовки, в которых пробивают базовые отверстия для совмещения слоев и производят очистку поверхностей. На заготовках внутренних слоев рисунок получают с двух сторон негативным фотохимическим методом, выполняя при необходимости контактные переходы химико-гальванической металлизацией. Рисунок наружных слоев получают комбинированным позитивным фотохимическим методом. Изготовленные слои совмещают друг с другом по базовым отверстиям, прокладывая между ними межслойную изоляцию, и спрессовывают в монолитную структуру.

Внутренние слои МПП, выполненные на тонком одностороннем фольгированном диэлектрике, после стравливания медного покрытия склонны к линейной деформации. Поэтому базовые отверстия на технологическом поле заготовок пробивают после операции травления меди, ориентируясь на специальные реперные знаки.

Процесс прессования является одной из важнейших операций изготовления МПП. Монолитность структуры и точность ее элементов обеспечиваются качеством прокладочной стеклоткани, тщательностью подготовки слоев, совершенством технологической оснастки и строгим поддержанием режимов прессования.

Схема технологического процесса изготовления МПП методом металлизации сквозных отверстий приведена на рисунках:

Изготовление слоев по субтрактивной позитивной технологии на ДПП;

. Сборка слоев и изоляционных прокладок;



Прессование;

. Сверление и очистка отверстий;

. Подтравливание диэлектрика;

. Металлизация отверстий, включающая сенсибилизацию и активацию, химическое меднение, создание защитного рельефа, гальваническое усиление меди, гальваническое осаждение металлорезиста, удаление фоторезиста, травление;

Создание неметаллизированных отверстий.

Прокладочная стеклоткань, которая поступает на сборку пакетов МПП, должна содержать 45-52% термореактивной эпоксидной смолы с отвердителем, находящейся в состоянии неполной полимеризации. Процентное содержание смолы, растворителя и летучей фракции проверяется при использовании новой партии и через каждые 5 дней применения. При поступлении нового материала проводятся опытные запрессовки на технологических платах и контроль их качества при термических испытаниях (нагрев до 120 °С и выдержка в течение 1 ч, термоудар при температуре 260 °С в течение 10 с).

Прессование МПП проводят в специальной пресс-форме с плоско-параллельными плитами, обеспечивающей точное совмещение и фиксацию слоев с помощью направляющих штырей по углам и через каждые 100-150 мм по периметру плиты. Температурный режим прессования платы предусматривает нагрев пакета до температуры 150-180 °С, удаление летучих компонентов смолы по мере расплавления и смачивания слоев пакета, полимеризацию и затвердевание смолы, охлаждение пакета до 30-40 °С. При нагреве пакета для обеспече-ния теплопередачи необходимо предварительное его сжатие и плотное прилегание пресс-формы к плитам пресса. Для этого устанавливают первоначальное давление (100-300 кПа), которое препятствует удалению летучих компонентов смолы из прокладочной стеклоткани. Высокое давление прессования должно быть создано до начала затвердевания смолы в момент желатинизации, когда смола перестает течь и вязкость ее нарастает. Приложение высокого давления (1-4 МПа) до момента желатинизации приводит к выдавливанию большого количества жидкой смолы и ухудшению сцепления слоев. Приложение давления после момента желатинизации, перешедшей в твердое состояние, приводит к растрескиванию и образованию пустот, ухудшающих связь между слоями. Для объективного контроля момента желатинизации измеряют объемное сопротивление изоляции склеивающих прокладок. Под воздействием температуры по мере разжижения связывающего вещества объемное сопротивление падает, достигая минимального значения в момент начала желатинизации, а затем по мере отверждения связывающего вещества увеличивается. Регистрация объемного сопротивления проводится датчиком, который изготавливается на технологических полях заготовок из фольги методом травления. При сборке пакета МПП слои располагают таким образом, чтобы электроды были обращены друг к другу, а между ними помещалась склеивающая прокладка.

Для прессования МПП применяют гидравлические прессы, оборудованные системами нагрева и охлаждения плит и устройствами для регулирования технологических режимов. Прессы обеспечивают плоскостность и параллельность плит в пределах 0,1 мм, точность поддержания температуры на их плоскости ±3 °С, давления ±3%. Для повышения производительности прессования промышленностью выпускаются автоматические линии. Процессы изготовления МПП подробно рассмотрены в специальной литературе.



5. Контроль и испытания печатных плат

Технологический процесс изготовления плат, особенно многослойных, состоит из большого числа операций, при выполнении которых возникают неучтенные возмущения, приводящие к отклонениям выходных параметров от номинальных. Контроль и испытание ПП предназначены для определения качества изготовленных изделий, под которым понимают степень их соответствия требованиям чертежа, технических условий и стандартов. На повышение качества влияют: 1) входной контроль исходных материалов; 2) соблюдение режимов и последовательности операций процесса производства; 3) использование автоматизированного технологического оборудования со средствами активного контроля; 4) организация пооперационного и выходного контроля; 5) проведе-ние испытаний.

Входному контролю подвергается каждая партия поступающего на производство диэлектрика, фоторезиста, трафаретной печатной краски. Особое внимание уделяется технологическим свойствам материалов. Проверяются и постоянно корректируются электрофизические и химические параметры используемых технологических сред на операциях травления, металлизации.

Операционный контроль качества проводится после наиболее ответственных технологических операций. Число контрольных точек определяется совершенством и стабильностью процесса. Тщательно проверяется качество фотошаблонов и сетчатых трафаретов, монтажных отверстий, межслойных соединений. На этих операциях стремятся использовать автоматизированное технологическое оборудование с системами управления и контроля.

Основными видами выходного контроля ПП являются: 1) контроль внешнего вида; 2) инструментальный контроль геометрических параметров и оценка точности выполнения отдельных элементов, совмещения слоев; 3) проверка металлизации отверстий и их устойчивости к токовой нагрузке; 4) определение целостности токопроводящих цепей и сопротивления изоляции.

Рассмотрим характерные дефекты, имеющие место при изготовлении ПП.

Расслоение многослойной структуры возникает при использовании склеивающих прокладок с просроченным сроком годности или низким содержанием смолы, при некачественной подготовке слоев перед прессованием, при нарушении режимов прессования или механической обработки контура.

Теми же причинами вызывается отслоение элементов печатного монтажа. Вероятность его увеличивается при применения узких и длинных печатных проводников, занижения размеров контактных площадок по отношению к размерам просверленных отверстий. Дефект может устраняться подклеиванием.

Выход отверстий за пределы контактных площадок наблюдается из-за недостаточной точности оборудования и технологической оснастки, смещения слоев при прессовании, деформации диэлектрических оснований и неправильного базирования ПП при выполнении отверстий. Дефект практически не устраняется.

Вздутие происходит, если между слоями остались воздух или влага или при прессовании полное давление прикладывается раньше начала желатинизации клея. Дефект не устраняется.

Коробление плат вызывается несбалансированностью конструкции ПП, неоднородностью склеивающего материала, снятием заготовок с пресса до полного охлаждения плит. Уменьшить коробление можно терморихтовкой.

Короткие замыкания между элементами печатного монтажа могут быть вызваны некачественным травлением, смещением слоев при прессовании, малыми расстояниями между элементами печатного монтажа, попаданием посторонних металлических включений между слоями МПП при сборке.

Разрыв токопроводящих цепей обусловливается подтравливанием печатных проводников, наличием глубоких царапин на поверхности исходного материала, возникновением внутренних напряжений при прессовании, некачественной подготовкой поверхности отверстий перед металлизацией.

Геометрические характеристики ПП - толщина, диаметр отверстий, расстояние между их центрами, величина коробления, габаритные размеры и смещение отверстий относительно центра контролируются с помощью инструментов для измерения линейных размеров. Погрешности формы элементов рисунка ПП определяются визуально при (10, 20)-кратном стереоскопическом увеличении.

Проверку металлизации монтажных отверстий проводят разрушающим или неразрушающим методом. При разрушающем методе изготавливают микрошлиф и по нему определяют толщину слоя, равномерность распределения металлизации, структуру покрытия, его пористость, наличие трещин, качество срастания с элементами печатного монтажа. Экспрессную проверку качества металлизации проводят по калибровочным графикам измерением омического сопротивления контактного перехода при подаче тока 1 А. Границей качественного и некачественного соединений является значение 500 мкОм, которое уточняется для каждого монтажного перехода.

Проверка устойчивости соединений к токовым нагрузкам осуществляется на основе многочасовой работы металлизированных отверстий под током 1-3 А. Ослабленные соединения выгорают или в них увеличивается температура, изменение которой эффективно и с высокой точностью контролируется тепловизионными системами.

Целостность токопроводящих цепей и сопротивление изоляции между проводниками проверяются электрическим методом на автоматических тестерах с числовым программным управлением. Печатная плата при помощи контактного устройства соединяется на входе через коммутатор с блоком опроса, а на выходе - с измерительным устройством. Контактное устройство представляет собой матрицу из иглообразных подпружиненных контактов, расположенных в узлах координатной сетки. На каждую проверяемую цепь подается сигнал 5-12 В, результат измерения сравнивается с эталонным, и на основании этого сравнения определяется годность цепи. Снабжение блока опроса высоковольтным источником (150-1500 В) позволяет контролировать электрическую прочность изоляции.

Испытания ПП и МПП позволяют в условиях климатических и электрических воздействий оценить их соответствие техническим требованиям, предъявляемым к аппаратуре, и установить скрытые дефекты. Они разделяются на приемосдаточные, периодические и типовые.

Приемосдаточные испытания проводятся партиями не более 1000-1200 шт., изготовленными по одной конструкторской и технологической документации, и включают: 1) стопроцентный контроль габаритных и установочных размеров, внешнего вида диэлектрического основания и проводящего рисунка на соответствие конструкторской документации, величины изгиба и скручивания, правильности монтажных соединений на отсутствие обрывов и коротких замыканий; 2) выборочную проверку (3% от партии, но не менее 3 шт.) сопротивления изоляции в нормальных климатических условиях при ручном контроле и стопроцентную проверку при автоматизированном; 3) выборочный контроль (1-2 платы от ежедневной выработки) толщины металлизации в отверстиях; 4) выборочную проверку (3% от партии, но не менее 3 шт.) паяемости контактных площадок и металлизированных отверстий, а также их устойчивости к перепайкам.

Периодические испытания ПП и МПП проводятся с целью подтверждения их эксплуатационных характеристик, правильности выполнения ТП и соответствия конструкторской документации не реже одного раза в шесть месяцев. Для контроля случайным образом выбираются платы, прошедшие приемосдаточные испытания в количестве 5 плат при опытном и мелкосерийном производстве и 10 плат при серийном производстве. В объем испытаний входят: 1) многократные изгибы ГПП и ГПК (ГПП должны выдерживать 5-кратный цикл изгибов радиусом 10±0,5 мм, а ГПК 150-кратный цикл изгибов радиусом 3±'0,5 мм на 90° в обе стороны от исходного положения); 2) перепайка (5-10) отверстий и (5-10) контактных площадок, проверка паяемости (1-2 платы); 3) проверка омического сопротивления металлизированных отвер-стий (3 шт.) и их устойчивости к кратковременной токовой перегрузке; 4) проверка в нормальных климатических условиях целостности электрических цепей и сопротивления изоляции (но не менее чем на 5 парах проводников, в том числе цепей питания); 5) контроль внешнего вида, целостности соединений и сопротивления изоляции после воздействия климатических факторов, устанавливаемых в зависимости от группы жесткости испытаний по соответствующему стандарту.

Типовые испытания проводятся для определения эффективности внесенных изменений в конструкцию и технологию ПП. Программа испытаний составляется предприятием, изготавливающим ПП, и согласовывается с разработчиком.



6. Технологическая оснастка изготовления печатных плат

Точность и разрешающая способность получаемых ПП определяются качеством используемой технологической оснастки, основными видами которой являются фотошаблоны, сетчатые трафареты и печатные формы (клише).

Изготовление фотошаблонов.

Изображение рисунка проводников ПП, разработанное на стадии создания конструкторской документации на изделие, должно быть перенесено на защитную маску фото - или металлорезиста в зависимости от типа применяемого процесса для создания ПП. Для переноса изображения предназначены фотошаблоны (ФШ), представляющие собой негативное или позитивное отображение конфигурации печатных проводников, выполненное в натуральную величину на светопроницаемом основании. Комплектом фотошаблонов называют то количество фотошаблонов, совмещающихся между собой, которое необходимо и достаточно для изготовления ПП определенного типа и наименования. По назначению они разделяются на контрольные (эталоны), и рабочие, которые изготавливаются с контрольных методом контактной печати и служат для перенесения имеющегося на них рисунка на плату.

Изображение элементов на фотошаблоне должно соответствовать требованиям чертежа и быть черно-белым, контрастным с четкими и ровными границами при оптической плотности темных полей не менее 2,5-3 ед. и прозрачных участков не более 0,15-0,2 ед., замеренной с точностью ±0,02 ед. на фотоэлектрическом денситометре типа. Размеры печатных проводников и контактных площадок устанавливаются с учетом величины подтравливания. Фотошаблон должен быть износостойким, иметь минимальную деформацию при изменении температуры и влажности окружающей среды. В большей степени перечисленным требованиям удовлетворяют сверхконтрастные фотопластинки и полированные силикатные стекла с металлизированными поверхностями, на которых получают контрольные фотошаблоны. Рабочие фотошаблоны изготавливают на малоусадочных (не более 0,01-0,03%) фотопленках.

На фотошаблоны наносят также технологические контрольные знаки. Контрольный знак - специальный топологический элемент в виде штриха, щели, креста и пр., служащий для контроля точности изготовления оригиналов и фотошаблонов и применяемый для совмещения фотошаблонов слоев двусторонних и многослойных ПП, а также при выполнении операции мультипликации.

Обычно фотошаблоны получают на основе оригинала ПП, выполненного также на материале, который имеет стабильные размеры (органическое или силикатное стекло, алюминий, лавсан и др.), но в увеличенном масштабе 2:1,4:1, 10:1. Оптимальный масштаб выбирается исходя из габаритов ПП, требуемой точности получения фотошаблона и погрешности изготовления оригинала, выбранным методом:

M = ор/фш,

где ор, фш - половина поля допуска на изготовление оригинала и фотошаблона. Основными методами получения оригиналов являются вычерчивание, наклеивание липкой ленты и вырезание эмали.

Вычерчивание изображения оригинала на специальной бумаге или малоусадочной пленке, на которую предварительно наносится непроявляющейся синей краской с шагом 2,5±0,05 мм координатная сетка, осуществляют вручную (в основном, для макетных работ) или на автоматическом чертежном аппарате, управляемом координатографом.

Метод аппликаций состоит в наклеивании на прозрачное основание калиброванных одиночных и групповых элементов, изготовленных из светонепроницаемой безусадочной антистатической пленки. Для получения изображения ДПП на одну сторону основания наклеивают красные (желтые) элементы, а на другую синие (фиолетовые). Последующее фотографирование через соответствующий светофильтр обеспечивает получение совмещенного оригинала рисунков с точностью ±0,2 мм. Метод рекомендуется для изготовления ОПП и ДПП, простых по конструкции, с пониженной плотностью монтажа.

Наибольшую точность изготовления оригиналов ПП (±0,05мм) обеспечивает, метод вырезания эмали. Для этого на прозрачное основание наносят равномерный слой гравировальной черной эмали, которую после сушки вырезают с пробельных мест на универсально-расточных станках, снабженных измерительными микроскопами, или на координатографах. В качестве инструмента используются пунктирные иглы, граверные резцы, рейсфедеры с алмазными наконечниками.

Из готового оригинала контрольные фотошаблоны получают масштабным фотографированием на фоторепродуционных полиграфических камерах с объективами, имеющими высокую разрешающую способность. Рабочие фотошаблоны изготавливают с контрольных способом контактной печати. Если ТП предусматривает обработку групповой заготовки (при размерах ПП до 100 мм), то на специальном оборудовании (фотоштампах) методом мультипликации получают групповой фотошаблон с точным расположением рисунков рядами и строками, общими элементами совмещения и общим машинным нулем отсчета координат программного сверления отверстий. После экспонирования и мультиплицирования осуществляется химико-фотографическая обработка фотоматериала, контроль полученного фотошаблона, ретуширование - удаление дефектов.

При изготовлении рабочих фотошаблонов необходимо, чтобы размеры элементов топологии и расстояния между ними соответствовали требованиям КД на ПП с учетом технологических допусков на изготовление ПП. Предельные отклонения размеров элементов топологии в зависимости от класса точности ПП приведены в таблице.



Класс точности ПП	1	2	3	4	5
Предельные отклонения размеров элементов топологии ФШ, мм	±0,10	±0,05	±0,03	±0,02	±0,01

Более прогрессивным является метод получения фотошаблонов сканирующим световым лучом. Он выполняется на лазерных растровых генераторах изображений (фотоплоттерах) сканированием лазерного пятна по поверхности пленок или стеклянных пластин и испарением маскирующего покрытия или засветки фотоматериала в соответствии с рисунком ПП. В фотоплоттере имеется библиотека часто повторяющихся в топологических чертежах элементов и узлов.

При изготовлении крупноформатных шаблонов ПП на стеклах с маскирующим покрытием методом лазерного гравирования погрешность взаимного расположения рисунка составляет ±0,01 мм, точность позиционирования ±0,005 мм, точность повторного позиционирования ±0,002 мм, неровность края изображения ±0,01 мм, погрешность воспроизведения размеров элементов изображения ±0,015 мм, погрешность расположения элементов относительно базового отверстия ±0,015 мм.

Формирование растрового изображения рисунка (оригинала) в фотоплоттере вне зависимости от сложности рисунка происходит с высокой скоростью в течение нескольких минут. Тиражирование фотошаблонов проводится без использования методов контактной печати с высокой точностью. Работа фотоплоттеров поддерживается входными и выходными форматами систем автоматического проектирования. Это позволяет:

получать фотошаблоны и программы сверления с цифрового планшета;

просматривать и редактировать ФШ и программы сверления;

создавать групповые заготовки на основе контура ПП одновременно для всех слоев;

автоматически генерировать по ФШ программы сверления;

подсчитывать площадь металлизации, число контактных площадок проводников, отверстий, длину проводников и пр.

Время изготовления ФШ, например, размером 550x550 мм с минимальной толщиной линии 0,15 мм и неровностью края экспонируемого элемента ±10 мкм составляет 5-6 мин.

Сетчатые трафареты представляют собой металлическую раму из алюминиевого сплава, на которую натянут тканый материал. К материалу ткани предъявляются следующие требования: величина просветов должна быть в 1,5--2 раза больше толщины нитей; на ткани не должно быть дефектов; она должна быть прочной на разрыв, устойчивой к истиранию, эластичной и практически не должна растягиваться в процессе работы, ячейки ткани не должны взаимодействовать с растворителями краски. Наибольшей точностью и долговечностью обладают металлические сетки из нержавеющей стали или фосфористой бронзы с размером ячеек 40-50 мкм, а наиболее эластичны сетки из капрона, лавсана, металлизированного нейлонового моноволокна.

Для изготовления сетчатого трафарета на поверхность рамы наносят специальный клей и укладывают сетку. Сетка равномерно натягивается таким образом, чтобы относительная деформация материала не превышала 6-8% для капрона, 5-7% для фосфористой бронзы и 2-3% для нержавеющей стали. Сетка приклеивается к раме и обезжиривается.

Рисунок платы на поверхности сетки получают прямым копированием через фотошаблон нанесенной фотополимерной композиции. Наносят фотополимер методом полива после создания временной подложки из полиэтилентерефталатной пленки и пластины оргстекла по высоте, равной высоте трафаретной рамы. Дальнейшие операции - экспонирование через фотошаблон, проявление и контроль качества. Хранятся сетчатые трафареты в вертикальном положении.

Печатные формы.

Конструктивно формы для офсетной печати разделяются на три вида: высокой печати, глубокой печати и с расположением печатных участков в одной плоскости. Изготавливают их из алюминия, цинка, сплавов на их основе и пластмасс с помощью травления, гравирования, прессования, обработки гидрофобизирующей жидкостью, сборки из отдельных элементов и др. Наиболее технологичной, точной и надежной оказалась печатная форма для сухого офсета. Она представляет собой пластину из алюминия толщиной 0,5-1 мм, на которую наносится тонкая пленка силиконового лака, не смачиваемого трафаретной краской. На пленке при помощи лазерного гравировального автомата выжигается рисунок ПП. Использование печатной формы на станке офсетной печати обеспечивает на поле до 500х600 мм точность совмещения контактных площадок ±0,1 мм и производительность 300 отпечат./ч.



Основная литература

1. Юрков Н.К. Технология производства электронных средств / Н.К. Юрков - Санкт-Петербург: Издательство `Лань`, 2014 - 480 стр. http://e.lanbook.com/view/book/41019/

2. Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы / А. М. Медведев . - М.: Техносфера , 2005. - 302 с.

3. Медведев А.М. Технология производства печатных плат : / А. М. Медведев . - М. : Техносфера , 2005. - 358 с.

4. Медведев А.М. Сборка и монтаж электронных устройств / А. М. Медведев . - М. : Техносфера , 2007. - 255 с.

5. Пирогова Е. В. Проектирование и технология печатных плат - М.: издательство: Форум, Инфра-М, 2005 - 560с.

6. Грачев А.А. Конструирование электронной аппаратуры на основе поверхностного монтажа компонентов / А.А. Грачев, А.А. Мельник, Л.И. Панов - М.: НТ Пресс, 2006. - 384с.

7. Простатов И.Л. Планирование инженерного эксперимента.: учебное пособие / И.Л. Простатов. - Казань : Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2004. 135 с

8. Простатов И.Л. Планирование инженерного эксперимента.: учебное пособие / И.Л. Простатов. - Казань : Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2004. 135 с

9. Крючатов В.И. Автоматизированные системы технологического обеспечения качества при проектировании и серийном изготовлении высоконадежных тонкопленочных интегральных схем с резистивными элементами: Учебное пособие. - Казань: ЗАО «Новое знание», 2013. - 179 с.

10. Крючатов В.И. Составление плана контроля надежности аппарат-куры при известном и неизвестном законах распределения наработки аппарватуры на отказ: методическик указания к практическим занятиям / В.И. Крючатов. - Казань : Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2001. 32 с.

Дополнительная литература

1. Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов./И.П. Бушминский, О.Ш. Даутов, А.П. Достенко и др.; Под ред. А.П. Достенко, Ш.М. Чабдарова.- М.: Радио и связь,1989. - 624с.: ил.

2. Управление качеством электронных средств: Учебник для ву-зов./ О.П. Глудкин, А.И. Гуров, А.И. Коробов и др.; Под ред. О.П.Глудкина. - М.: Высш. шк.,1994. - 414с.: ил.

3. Хартман К., Лецкий Э., Шеффер В.И др. Планирование экспе-римента в исследовании технологических процессов. / Под ред. Лецкого.- М.: Мир, 1977г.

4. Леонов А.И., Дубровский Н.Ф., «Основы технической эксплуа-тации бытовой РЭА». М., Легпромбытиздат,1991.

5. Ксенз С.П. «Диагностика и ремонтопригодность радиоэлектронных средств».М.,1989.

6. «Рекомендации. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Показатели и оценка ремонтопригодности и контролепригодности» Р-50-84-88,М,1988.

Размещено на Allbest.ru

...