Елементи системного аналізу технологічних процесів виготовлення друкованих плат

 

Отже, предмет нашого розгляду - друковані плати (PCB - Printed Circuit Boards - як їх називають в світі) [5]. За даними, опублікованими у пресі [1]^, обсяг виробництва друкованих плат в Росії за 2003 рік виріс на одну третину. І це незважаючи на мікромініатюризацію електронних засобів (ЕС). Правда, нам в плані випуску друкованих плат істотно "допомагають" фірми Китаю і інші країни Південної Азії. Їх частка на російському ринку, за різними оцінками, коливається від 50% до 65%. Частка підприємств інших країн (Європа, США, Канада) становить до 10%. Таким чином, сьогодні до 75% друкованих плат в Росії мають неросійське походження.

 

В ГОСТ 23751-86 ^2, як відомо, описані п'ять класів точності, яких нашій промисловості ЕС поки вистачає. Більш того, далеко не всі підприємства Росії можуть виготовляти друковані плати найвищого п'ятого класу точності, хоча в світі вже затребувані плати більш високої точності. Класи точності, як відомо, відрізняються мінімальними розмірами провідників і відстанями між ними, а також пов'язаними з ними іншими параметрами друкованої плати.

 

В Наприкінці минулого століття захоплення світових виробників ЕС викликали двосторонні плати з провідниками і зазорами між ними величиною 150 мкм, покриті зеленою паяльною маскою і мають блискучі майданчики після гарячого лудіння (оплавлення припою). Звичайно, і зараз для плат з такими характеристиками знаходиться маса застосувань, і ми можемо назвати підприємства, які ще тільки прагнуть освоїти технології виробництва таких плат. Але багато сучасних пристроїв, розроблені із застосуванням інтегральних мікросхем високого ступеня інтеграції і компонентів субмініатюрних розмірів, вимагають плат з мінімальною шириною провідників 100, 75, 50 мкм. На зміну лудженим провідникам і контактних площадок йде хімічне або гальванічне покриття нікель - золото, при нанесенні якого, наприклад, хімічним шляхом нікель осідає на мідь, а потім реакцією заміщення (на молекулярному рівні) поверхневих шар нікелю заміщається золотом (іммерсійне золото). За кордоном з таким покриттям виробляються вже все плати для поверхневого (SMD) монтажу.

 

Вашій увазі пропонується наступна послідовність знайомства з технологіями виготовлення друкованих плат. На початку сформулюємо загальні проблеми і закономірності розвитку технології друкованих плат, потім розглянемо основні технологічні маршрути і, на закінчення, зупинимося на конкретних проблемах окремих ключових технологічних операцій і підготовки виробництва.[2]

На першому етапі спробуємо застосувати на практиці системний підхід, вивченням якого ми закінчили перший розділ нашого курсу [3].

Технології друкованих плат розвиваються за своїми законами, представляють собою складні системи, що охоплюють розробку, виготовлення та використання друкованих плат для виготовлення друкованих вузлів [6]. Однак, говорячи про розвиток технології, не слід розуміти конкретний технологічний процес на конкретному підприємстві як безперервний ланцюжок змін. У такій складній системі, як технологічний процес виготовлення друкованих плат всякого роду змін треба вносити дуже обережно, постійно пам'ятаючи про стійкість виробничого процесу. Внесені зміни можуть "розгойдати" технологічний процес і зробити його нестійким, що призведе до різкого зростання відсотка браку на окремих операціях.

 

Говорячи про динаміку розвитку технологічних процесів з позиції системного підходу, спробуємо розглянути такі глибинні явища, як єдність і боротьба протилежностей, перехід кількісних змін у якісні, заперечення заперечення.

 

Почнемо з "боротьби" субтрактивного ¹ (в Росії і деяких інших країнах його чомусь називають хімічним методом) і адитивного ² напрямків в технології друкованих плат. Головний недолік найбільш поширеного сьогодні субтрактивного напрямку полягає в тому, що власне мета - виготовлення електромонтажу – досягається, погодьтеся, обхідним шляхом, а саме за допомогою стравлення непотрібних ділянок металевого покриття базового матеріалу. Звідси і проблеми економії досить дорогої сьогодні міді, і відновлення (регенерації) травильних розчинів, і екологічних проблем. "Врожайність" міді може досягати від 30 до 60 центнерів з гектара тому, що від 60% до 95% міді в залежності від задуму конструктора підлягає стравлювання з поверхонь фольгованого діелектрика.

 

З'являються серйозні проблеми з очищенням стічних вод від солей важких металів, до яких відноситься мідь. Через необхідності великих вкладень на підтримку очисних споруд виробництво друкованих плат на малих підприємствах є економічно недоцільним.

 

Чим товщі фольга, тим легше виготовити фольгований діелектрик, тим міцніше зчеплення фольги з діелектриком, але тим нижче дозвільна здатність процесу через явища бокового страву, який безпосередньо пов'язаний з товщиною фольги. Зі зменшенням товщини фольги зростає роздільна здатність, але з'являються проблеми з виготовленням фольгованих діелектриків, з механічною обробкою, наприклад свердлінням металізуючих отворів.

 

Цікаво, що патент на основний метод виготовлення друкованих плат, який передбачає травлення фольгованого діелектрика, був отриманий американцем

Ф.Т. Гармонія в 1925 році, а в 1906 році всюдисущий винахідник Т.А. Едісона описав

в одному зі своїх баготочисленних патентів спосіб виготовлення провідників на ізоляторі шляхом нанесення металевого порошку.

 

З точки зору логіки здорового глузду треба розвивати аддитивний напрямок, тобто намагатися брати в облогу плівкові провідники тільки туди, куди нам необхідно відповідно до топології друкованої плати. Але не тут-то було.

З великими труднощами вдається осадити мідь на всю поверхню діелектричної підкладки, а способи, за допомогою яких цього домагаються саме в потрібних місцях плати, поки, за наявними даними, до серійного виробництва не дійшли.

 

Відмінною особливістю адитивної технології, якщо вона прийде в серійне виробництво, буде вимога великих обсягів виробництва на одному підприємстві - десятки гектарів на рік.

 

Компроміс сьогодні - комбіновані технологічні маршрути, в яких субтрактивні і аддитивні напрямки поєднуються в різному вигляді. Практично використовуються поєднання отримали назву "комбінований позитивний метод" і "полуаддітівний", або електрохімічний (за термінологією вітчизняних галузевих стандартів). За термінологією відомої в світі фірми "Шерінг" відповідно SUBTRAGANT- і SEMIGANT-процеси.

 

Тепер про "боротьбу" двосторонніх і багатошарових друкованих плат. У першому розділі курсу ми говорили про покоління багатошарових друкованих плат [3]. У переході від двосторонніх друкованих плат другого покоління до багатошаровим друкованим платам другого покоління ми спостерігаємо дію закону заперечення заперечення, але з переходом на вищий щабель технологічного розвитку.

 

Можна в певному сенсі говорити і про боротьбу проводового монтажу з друкованим, правда, на рівні повідомлень в технічній пресі про успіхи тканинної або друковано-проводового монтажу.

 

Для повноти картини слід згадати механічне фрезерування фольги і її обробку лазерним променем як спосіб формування малюнка. Координатні столи цих верстатів з ЧПУ дозволяють автоматизувати процес виготовлення друкованих плат, особливо для одиничних (макетних) зразків (прототипів). На відміну від механічного фрезерування, яке повністю видаляє фольгу на пробільних ділянках, випаровування фольги за допомогою сфокусованого лазерного променя проводиться не на всю товщину. Далі, за допомогою так званого диференціального хімічного травлення фольга видаляється з оброблених лазером ділянок.