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

1.1.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.

1.2.Проблеми вибору базових матеріалів

Вибір базових матеріалів для друкованих плат, тобто матеріалів підстави, сьогодні величезний. Завдяки інтеграції вітчизняної промисловості електронних засобів в світовий поділ праці все більше матеріалів стають доступними нашим виробникам друкованих плат. Однак існує Федеральний закон № 60-Ф3 "Про поставки продукції для федеральних державних потреб", не допускаючий в ряді випадків використання матеріалів імпортного виробництва при наявності вітчизняних аналогів.

Які технологічні вимоги конструктори-технологи пред'являють сьогодні до базових матеріалів?

Це технологічність обробки (механічної, хімічної і т. П.), Термостійкість, пожежна безпека. Не менш важливими є такі параметри, як питомий об'ємний і поверхневий опір діелектрика, пробивна напруга, малі діелектричні втрати, задані значення і однорідність (сталість) діелектричної проникності за площею (для СВЧ і швидкодіючих цифрових плат).

Планове соціалістичне господарство СРСР свого часу породило монополістів. Не стало винятком і виробництво шаруватих діелектриків (фольгованих і нефольгованих) для друкованих плат, яке було вирішено розгорнути в Молдавії на Тирасполському комбінаті "Молдавізоліт" (www.izolit.narod.ru). Звідси і перші букви в марці - МІ замість ГФ (гетинакс фольгований) і СФ (склотекстоліт фольгований) за радянськими стандартами. Змінилась і звична російському розробнику цифрова складова позначення базового матеріалу. Російські виробники шаруватих діелектриків роблять зусилля з нарощування виробництва базових матеріалів, що відповідають вимогам світових стандартів [3]^. Поява на російському ринку таких всесвітньо відомих виробників як ISOLA (Німеччина), ROGERS (США) і ін. робить проблему вибору постачальника базових матеріалів ще складнішою.

Слід зазначити своєрідний розрив між фольгований гетинакс і склотекстоліти, який заповнюється комбінованими матеріалами, де зовнішні шари, що несуть мідну фольгу, виготовлені з склотекстолітиа, а внутрішні - з більш технологічного з точки зору механічної обробки гетинакса.

Поява термостійких тефлоновим, поліамідних і лавсанових плівкових діелектриків дозволило виготовляти гнучкі друковані кабелі. Тонка провідна мідна або алюмінієва фольга наноситься на цю плівку за допомогою розпилення в вакуумі, що дозволяє значно зменшити товщину фольги. Залишаються проблеми, обумовлені стійкістю більшості діелектричних плівок до травителів, що робить обов'язковим механічне свердління (прошивку) перехідних отворів. Слід зауважити, що ці плівки більше 20 років тому активно використовувалися виробниками тонкоплівкових мікроскладань при вирішенні проблем багатошарової металізації.

Цікавими конструктивно-технологічними рішеннями являються плати на алюмінієвих (з ізолюючим окисним шаром) і стальних підкладках (з покриттям склоемаллями), а також плати на пропрозорому діелектрику і на діелектрику з рельєфною поверхнею. Плати на алюмінієвих підкладках забезпечують ефективне відведення тепла і високу теплостійкість, а сталеві

підставки дуже зручні в автоматизованому виробництві, так як суттєво спрощують конструкції захватів промислових роботів за рахунок використання електромагнітів.

Дуже важливим базовим матеріалом для багатошарових друкованих плат є препреги (так його називають у світі), а у нас він іменується за радянськими стандартами склотканиною прокладною (СП). Більш докладно про специфіку технологічних вимог до цього матеріалу йтиметься при вивченні технології багатошарових друкованих плат.

З позицій системного підходу необхідно відзначити також, що від якості таких матеріалів, як фоторезисти, захисні паяльні маски, розчини для травлення, хімічної та гальванічної металлізації і т. д. значно залежить якість друкованих плат.

Глава 2.

ТЕХНОЛОГІЧНІ МАРШРУТИ ОДНО- І ДВОСТОРОННІХ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ

2.1.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.

2.1.1.Хімічний негативний (субтрактивний) метод

Відрізняється мінімальною трудомісткістю і можливістю автоматизації всіх операцій. Вельми широко поширений при виготовленні дешевих односторонніх друкованих плат не вище 2-го класу точності. Для нанесення захисного рельєфу використовується сіткографіі (шовкографія), рідше офсетний друк (з кліше) або фотоспособом (використання фотоемульсії або фоторезиста).

Технологічний маршрут ускладнюється, якщо ми хочемо заощадити припой і в той же час не забуваємо про захист мідних провідників. Можна використовувати або захисні епоксидні маски, що наносяться за допомогою сітчастих трафаретів, або хімічний захист мідних провідників з допомогою хімічного пасивування.

2.1.2.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).

2.1.3. 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.

2.2.Комбіновані методи виготовлення двосторонніх друкованих плат з металізацією перехідних отворів

Описувані нижче маршрути не слід вважати застиглими ¹ . Вони безперервно розвиваються. Знадобилася, наприклад, захисна паяльная маска - з'являються нові операції і нові проблеми з захистом міді. Шкідливий свинець -застосовуємо чисте олово як ме-таллорезиста. Потрібна висока площинність поверхні (мала різновагість контактних площадок) - необхідно відмовитися від лужених контактних площадок і перейти до використання золочення з підслоєм нікелю. Маркування місць установки електронних компонентів також призводить до ускладнення технологічного процесу в залежності від обраного способу нанесення маркування (сіткографіі, фотоспособом, спеціальний струменевий принтер)

Вибір методу виготовлення істотно позначається на точності відтворення малюнка і вартості друкованих плат.

2.2.1.Комбінований позитивний метод

За термінологією фірми "Шерінг" він іменується Субтрагант. Як і послідовність технологічних операцій представлена ​​на рис. 2.1.

Процес ускладнюється, якщо нам потрібна захисна паяльна маска, маркування місць установки електронних компонентів. Істотні ускладнення пов'язані з використанням фольгованих діелектриків з тонкомірної (5 мкм) мідною фольгою, захищеної алюминієвим протектором (алюмінієва фольга товщиною близько 50 мкм).

Комбінований позитивний метод потенційно дозволяє виготовляти плати до четвертого класу точності за рахунок меншої товщини травлення мідної фольги.

2.2.2.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.