Основні проблеми технології друкованих плат

ПЕРЕДМОВА

 

Запропонований увазі читача навчальний посібник не претендує на детальний виклад всіх питань, пов'язаних з підготовкою виробництва і виготовленням друкованих плат. Конспективно викладений матеріал розділу передбачає прослуховування "живих" лекцій і відвідування (при необхідності) консультацій з метою ознайомлення з додатковими матеріалами, з'ясування незрозумілих питань, а також попереднього здавання матеріалу даного розділу викладачеві в режимі іспиту.

 

Студентам в процесі вивчення даного розділу в рамках УІРС і написання рефератів пропонується спільна робота по систематизації великої кількості постійно оновлюється і часом суперечливої інформації про стан виробництва друкованих плат в Росії і задоволенні швидко мінливих потреб складальних російських підприємств в друкованих платах, що сьогодні не одне і те ж через те, що радіоелектронна промисловість Росії стрімко інтегрується у світовий поділ праці в області розробляння і виробництва електронних засобів.

 

В ІНТЕРНЕТі, на серверах ВлДУ, в локальній обчислювальної мережі кафедри КТ РЕС, в лабораторії "Технологія електронних засобів" читачеві доступні:

- глосарій "Друковані плати", вітчизняні і закордонні стандарти, в тому числі каталог і окремі стандарти IPC;

- зразки друкованих плат і напівфабрикатів;

- віртуальна екскурсія по цеху друкованих плат;

- навчальні матеріали інформаційних партнерів: статті, сайти і книги А.М. Медведєва (МАІ), Ф.П. Галецького (ІТМ і ВТ РАН) та ін.;

- відеофільм про фотоплотер китайського виробництва, придбаному ОАО "Володимирський завод" Електроприлад ";

- рекламні матеріали вітчизняних і закордонних фірм;

- Журнали "Електронні компоненти", "EDA експерт" і ін.

 

Глава 1.

 

ОСНОВНІ ПРОБЛЕМИ ТЕХНОЛОГІЇ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ

 

Глава 2.

 

ТЕХНОЛОГІЧНІ МАРШРУТИ ОДНО- І ДВОСТОРОННІХ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ

 

Хімічний і інші прості способи виготовлення одно- і двосторонніх друкованих плат

 

Прості способи, описувані нижче, відрізняються відсутністю металізованих отворів і детально описані в підручниках [1, 8, 9]. Звертаю увагу читачів також на те, що відповідно до прийнятої у вітчизняній промисловості стандартної термінологією позитивний метод (хімічний або комбінований) відрізняється від негативного використанням металорезиста як маски, що захищає мідну фольгу від травлення. Таким чином наші пізнання з фотографії (позитив і негатив) швидше зашкодять нам, ніж допоможуть. Металорезистом може бути срібло, а також олово і свинець у вигляді хімічно осадженого припою або чистого олова.

 

Тому в негативному методі захисний рельєф (фарба або фото-резист) потрібен при подальшому травленні міді, а в позитивному для виборчого гальванічного нанесення металорезиста на місця майбутніх провідників. Видалення захисного рельєфу в негативному способі виконується відразу після травлення мідної фольги, а в позитивному - перед травленням міді після нанесення металорезиста. Далі слідує операція свердління або пробивання отворів, які в подальшому не піддаються металізації.Після цього оформляють контур друкованої плати, видаляючи технологічні поля. В кінці технолого маршруту плати маркують і піддають консервації для збереження паяності при зберіганні.

 

Хімічний позитивний метод

 

Його вже не можна назвати чисто субтрактивним, оскільки в якості маски при травленні використовується металорезиста, гальванічно осадженого на мідну фольгу. Застосовується досить рідко і обмежується зазвичай виготовленням мікросмужкових плат для СВЧ-діапазону. В якості металорезиста зазвичай використовується срібло товщиною 9 - 12 мкм, що забезпечує хорошу провідність на високих частотах за рахунок скін-ефекту (витіснення струму високої частоти в приповерхневих шари провідника).

 

Інші прості способи

 

Спосіб штампування широко використовувався для масового виробництва простих плат не вище 1-го класу точності. При цьому способі на діелектричне основу, покрите недополімерізованим клеєвим шаром, накладається мідна фольга. Притиск комбінується з вирубкою провідників. Після видалення непотрібної фольги слідує нагрів для полімеризації клею. Утилізація відходів міді зустрічає проблем.

 

Спосіб перенесення принципово дозволяє утилізувати мідь з травильних відходів. Він полягає в отриманні провідного мідного малюнка на плоскій технологічній (тимчасовій) металевій основі з корозійностійкої сталі, наприклад 18ХН9Т. На цю основу наноситься будь-яким чином захисний рельєф, далі йде гальванічне міднення з метою створення шару фольги товщиною 30 - 50 мкм. Фольга не надто міцно тримається на сталевій основі, і якщо її намазати клеєм і притиснути до діелектрика плати, то при нагріванні клей полімеризується і фольга міцно приклеюється до плати.

 

Якщо замість листового діелектрика використовувати прес-форму і прес-порошки, то провідний малюнок може бути запресований "запідлицеві", що зручно при виготовленні перемикачів, кодових дисків і т.д.

 

Використання електропровідних фарб і паст, хоча і дозволяє поряд з провідниками виготовляти друковані резистори і конденсатори, широкого поширення в технології друкованих плат не отримало, незважаючи на численні публікації про досягнення в цьому напрямку. Більшою мірою це напрям виявився потрібним в товстоплівковій технології виготовлення мікрозбірок, але вже на основі термічного випалювання композицій на базі легкоплавких стікол.

 

Тентінг-метод

 

Являє собою спрощення (здешевлення) комбінованого позитивного методу. Послідовність технологічних операцій представлена ​​на рис. 2.2.

 

Назва процесу має англійське походження ¹ тому, що плівка фоторезиста надійно закриває металізовані отвори від доступу травних розчинів. Необхідно зауважити, що далеко не всі плівкові фоторезисти здатні до цього.

За термінологією радянських галузевих стандартів він досить близький до комбінованого негативному методу, який застосовувався в промисловості до появи свердлильних верстатів з числовим програмним управлінням. У той же час позитивно відрізняється від нього в сторону комбінованого позитивного методу тим, що забезпечує надійну металізацію отворів.

 

Тентінг-метод при всіх його перевагах не може претендувати на відтворення малюнка вище 3-го класу за ГОСТ 23751-86, хоча при цьому вартість виготовлення плат в порівнянні з комбінованим позитивним методом буде приблизно в півтора рази менше за рахунок спрощення технологічного маршруту.

 

Глава 3.

 

Виготовлення заготовок

 

Заготовки внутрішніх шарів є тонкими двохсторонні друковані плати з відповідними малюнками провідників, а заготовки зовнішніх (зовнішніх) шарів є односторонніми друкованими платами, малюнок провідників на яких на даному етапі не сформований.

 

Для заготовок зазвичай використовують теплостійкий фольгований склотекстоліт марки СТФ або травної марки ФТС. При збільшенні числа шарів або виготовленні гнучких БТП замість склотекстоліта застосовуються плівкові полімідні або лавсанові фольговані діелектрики і відповідні їм препреги. Поліімідні діелектрики відрізняються від інших тим, що в них можна витравити отвори.

 

На кожному технологічному полі окремої (зовнішньої чи внутрішньої) заготовки пробивають базові (технологічні) отвори, за допомогою яких в подальшому забезпечується необхідне суміщення шарів.

 

Кількість отворів, що пробиваються встановлюється в залежності від розмірів плати і може досягати 10. Одні з цих отворів працюватимуть при формуванні малюнка внутрішніх шарів, інші - при складанні пакету, а треті - під час свердління металізуючих наскрізних і кріпильних отворів, а також при формуванні малюнка зовнішніх шарів.

 

Установка для суміщення і пробивання базових (технологічних) отворів дозволяє отримати з точністю кроку ± 0,05 мм при диаметрі 5 мм. Стандартний крок переміщення координатного столу складає 10 мм. Пробиті (а не просвердлені) отвори відрізняються переважно високою точністю діаметру і якістю країв отворів, найбільш придатним саме в якості опорних (реперних) знаків, а не для металізації, наприклад.

 

Аналогічні отвори пробивають в листах прокладки склотканини (препреги) марки СП, яка являє собою листи з кручених скляних ниток діаметром 0,1 - 0,25 мм, просочених, наприклад, епоксидним лаком ЕД-8-Х в недополімерізованому стані. Гарантійний термін зберігання препрегів не більше півроку, в іншому випадку буде мимовільна полімеризація і здатність до склеювання пропаде. Очевидно, що ступінь полімеризації епоксидної смоли буде залежати від фактичного строку зберігання і в межах зазначеного гарантійного терміну. Ця обставина надалі створює серйозні проблеми при пресуванні пакета.

 

На заготовках внутрішніх шарів хімічним методом з використанням фоторезистивного захисного рельєфу отримують провідний малюнок. Після стравлювання міді спостерігається небажана деформація стиснення діелектрика, обумовлена ​​внутрішніми напруженнями, які проявляють свою дію після видалення частини мідної фольги. Величина цих деформацій залежить від характеру провідного

малюнка і мінімальна у разі застосування двосторонніх фольгованних діелектриків.

 

Для забезпечення високої міцності зчеплення внутрішніх поверхонь заготовки необхідна відповідна обробка мідних провідників і відкритої поверхні діелектрика. Вона передбачає оксидування провідників за допомогою лужного розчину, потім обробку внутрішніх поверхонь заготовок в аміачно-хлоридному травителях, або в травителях на основі сірчаної кислоти. В результаті необхідна технологічна лінія модульної конструкції спеціально для хімічної підготовки шарів перед складанням і пресуванням пакету.

 

Метод попарного пресування

 

Сутність даного методу полягає в тому, що використовуються дві заготовки з двостороннього фольгованого діелектрика. На одній (внутрішній) зі сторін кожної заготовки негативним комбінованим методом формується струмопровідний малюнок і металізованні отвори - переходи з першого шару на другий і з третього на четвертий. Зв'язок провідників внутрішніх шарів (другого і третього) здійснюється через зовнішні провідні шари (перший і четвертий).

 

Малюнок БТП на зовнішніх шарах і з'єднання між ними (через металізуючі отвори) виконуються комбінованим позитивним методом. При цьому металізовані отвори, сформувалися при виготовленні заготовок заповнюються епоксидною смолою.

 

Метод дозволяє знизити вимоги до точності базування під час свердління отворів, знизити вартість і забезпечити доступність за рахунок зниження роздільної здатності та ускладнення процесу конструювання таких плат. Його можна використовувати при виготовленні БТП з прихованими міжшаровими переходами.

 

 

Інші методи

 

Метод відкритих контактних майданчиків використовує односторонний фольгований діелектрик. Контактні майданчики внутрішніх шарів безпосередньо видно з боку установки електрорадіоелементов (ЕРЕ). Міжшаровий зв'язок здійснюється за допомогою пайки виводів ЕРЕ або дротяних перемичок до відкритих контактних майданчиків. Таким чином виключаються адитивні процеси і забезпечується візуальний контроль всіх міжшарових з'єднань, але щільність монтажу буде невисокою.

 

Метод виступаючих висновків отримав свою назву за рахунок використування для міжшарових з'єднань смужок мідної фольги, виступаючих з кожного провідного шару через отвори на зовнішній шар металізації або на проміжні шари. Для цього необхідно заготовки з нефольговано діелектрика і товста (до 80 мкм) мідна фольга.

 

Використання механічних деталей - штифтів або пустотіліх заклепок (пістонів) - для міжшарових з'єднань просто і дуже надійно, але роздільна здатність залишає бажати кращого.

Глава 4.

 

Хімічна металізація

 

Найчастіше це хімічне міднення, тобто нанесення міді на поверхнею без застосування електричного струму. Використовується в основних для додання діелектричної поверхні струмопровідних властивостей, що необхідно для подальшого нанесення металу гальванічним способом.

 

Розглянемо більш докладно процес хімічного міднення. У якості встановлення міді з розчину використовується дешевий і недефіцитний матеріал - формальдегід (HCOH). Особливість цього окислювально-відновного процесу полягає в тому, що він ініціалізується каталізатором, в якості якого служить дорогостоючий металевий паладій (P d). Витрата паладію досягає 2 г на 100 м ² . Надалі каталізатором осадження є обложена мідь, тобто процес стає автокаталітичним.

 

Для того щоб мідь не випадала у вигляді гідроксильних опадів, в розчин додають комплексоутворювачі: калій-натрій виннокислий (тартрат калій-натрію), трилон-Б (динатрієва сіль етилендиамінтетраоцтової кислоти), лимонна кислота і ін.

 

Застосування паладію в якості каталізатора дозволяє осаджувати мідь саме на плату, а не на стінки і дно ванни. Тому перед осадженням міді поверхня плати піддається активації, в результаті якої на діелектрику плати осідають частинки паладія. Цю операцію можна здійснити, попередньо обробивши плату в розчині хлористого олова SnCl ₂ (сенсибілізація). Потім, промивши плату в воді, занурити в розчин хлористого паладію PdCl. В ході хімічної реакції

 

Sn ^2+ + P d ^2+ - → Sn ^4+ + Pd

(4.9)

 

на поверхні діелектрика плати осідає металевий паладій. На ділянках плати, покритих мідною фольгою, можлива реакція

 

Cu + P d ^2+ - → Cu ^2+ +2 Pd,	(4.10)

 

яка призводить до швидкого виснаження розчину хлористого паладія. Використання для активування більш складних варіантів розчину, де Pd присутній у вигляді складних комплексів, виключає реакцію (4.10), але при цьому сенсибілізація проводиться не в розчині SnCl ₂ , а в розчині NaH ₂ PO ₂ (гіпофосфіти натрію).

 

Відзначимо важливість ретельного проведення операції промивки після реакції (4.9). Якщо промивка недостатня за часом, то шар гідроксиду олова, що обволікає частинки паладію, не буде видалений. Збільшення часу промивки понад оптимального призводить до змивання обох реагуючих компонентів.

 

Паладій відноситься до дорогоцінних металів, тому його залишки повинні вловлювати для повторного використання. Рекомендується використовувати не менше двох вловлень з непротічною водою з допомогою реакції

 

Zn + P dCl 2 - → P d ↓ + ZnCl 2 .

(4.11)

 

Порошкоподібний осад паладію механічно видаляється і розчиняється в соляній кислоті, до якої доданий перекис водню.

Отриманий розчин нагрівається до розкладання перекисі водню і
його можна використати для коригування ванни активування.

Склад розчину хімічного міднення не обмежується присутністю солей міді і відновника. Поряд зі згадуваними вище комплексоутворювачами (лігандами) до складу розчину входять речовини для забезпечення заданого значення рН розчину, а також різні добавки, що забезпечують осадження міді в отворах малого діаметру, еластичність плівки обложеної міді і т.д. Найчастіше за все склад цих добавок є комерційною таємницею фірми - виробника розчину, розкрити яку за допомогою різних видів хімічного і спектрального аналізу неможливо. Справа в тому, що деякі в ході аналізів хімічні елементи можуть входити до складу розчинів або у вигляді поверхнево активних речовин, або колоїдних розчинів і т.п.

 

Типові розчини хімічного міднення забезпечують відносно малу швидкість осадження - близько 2,5 мкм / год. Це означає, що при витримці 15 - 25 хв. осаджений шар міді має товщину менше 1 мкм. Принципово можливе отримання товстих (25 - 30 мкм) шарів міді в рамках повністю адитивної технології спряження з необхідністю безперервного коригування складу ванни міднення. Крім того, необхідно якимось чином активувати паладієм поверхню діелектрика тільки в тих місцях, де буде осаджуватися мідь (провідники і міжслойна металізация).

 

 

[1] Макаров В. Огляд російського ринку друкованих плат: Електронні компоненти. - 2003 № 8. - М.: ВД Електроніка. - С. 13 - 26 (www.elcp.ru/index.php? State = izd & i _ izd = elcomp & i _ num = 2003 _ 08 - 18 k).

² ГОСТ 23751-86. Плати друковані. Основні параметри конструкції. - М.:Вид-во стандартів, 1988. - 8 с. ¹

 

¹ Від латинського subtratio - Віднімати, віднімати.

² Від латинського additio - Додавати, підсумовувати.

 

 

¹ Лисаченко В. Фольговані діелектрики для вітчизняних виробників друкованих плат: Електронні компоненти. - 2003,№9. - М.:ІД Електроніка - С. 140,141 (www.elcp.ru/index.php? State = izd & i _ izd = elcomp & i _ num = 2003 _ 09 & i _ art = 33 - 11 k).

ПЕРЕДМОВА

 

Запропонований увазі читача навчальний посібник не претендує на детальний виклад всіх питань, пов'язаних з підготовкою виробництва і виготовленням друкованих плат. Конспективно викладений матеріал розділу передбачає прослуховування "живих" лекцій і відвідування (при необхідності) консультацій з метою ознайомлення з додатковими матеріалами, з'ясування незрозумілих питань, а також попереднього здавання матеріалу даного розділу викладачеві в режимі іспиту.

 

Студентам в процесі вивчення даного розділу в рамках УІРС і написання рефератів пропонується спільна робота по систематизації великої кількості постійно оновлюється і часом суперечливої інформації про стан виробництва друкованих плат в Росії і задоволенні швидко мінливих потреб складальних російських підприємств в друкованих платах, що сьогодні не одне і те ж через те, що радіоелектронна промисловість Росії стрімко інтегрується у світовий поділ праці в області розробляння і виробництва електронних засобів.

 

В ІНТЕРНЕТі, на серверах ВлДУ, в локальній обчислювальної мережі кафедри КТ РЕС, в лабораторії "Технологія електронних засобів" читачеві доступні:

- глосарій "Друковані плати", вітчизняні і закордонні стандарти, в тому числі каталог і окремі стандарти IPC;

- зразки друкованих плат і напівфабрикатів;

- віртуальна екскурсія по цеху друкованих плат;

- навчальні матеріали інформаційних партнерів: статті, сайти і книги А.М. Медведєва (МАІ), Ф.П. Галецького (ІТМ і ВТ РАН) та ін.;

- відеофільм про фотоплотер китайського виробництва, придбаному ОАО "Володимирський завод" Електроприлад ";

- рекламні матеріали вітчизняних і закордонних фірм;

- Журнали "Електронні компоненти", "EDA експерт" і ін.

 

Глава 1.

 

ОСНОВНІ ПРОБЛЕМИ ТЕХНОЛОГІЇ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ