При изготовлении МПП различной сложности

В настоящее время в производстве печатных плат чаще используется способ травления фольги для получения рисунка проводящего слоя. Для повышения плотности рисунка коммутации и монтажа все шире попользуются фольгированные диэлектрики, полученные с применением тонкомерной медной фольги толщиной 5-10 мкм. В этом случае можно изготовить платы с шириной печатного проводника и величиной зазора между провод­никами до 0,15 мм (минимальные значения этих параметров состав­ляют 0,2 и 0,3 мм при толщине фольги 35 и 50 мкм соответственно). В связи с этим в последнее время особое значение приобретают различные варианты аддитивной технологии.

Самый простой способ изготовления печатных плат - субтрактивный (по субтрактивной технологии без металлизации отверстий) (рис. 4), однако более распространен комбинированный способ по­лучения ДПП, основанный на том же фотохимическом методе, т.е.

травлении незащищенной маскирующим слоем фольги, но с обеих сто­рон фольгированного диэлектрика и дополненный созданием переход­ных межслойных соединений путем химико-гальванической металли­зации отверстий (рис. 5).

Комбинированный способ характеризует­ся видом рисунка (в защитном слое), переносимого при печати, с этим связано и название разновидностей используемых технологий. Так, если защитный рельеф предохраняет фольгу (рабочие ее участ­ки) при травлении, технологию называют комбинированной негативной (рис. 5,а); если защитный рельеф предохраняет фольгу (нерабочие ее участки) при гальваническом (либо химико-гальваническом и др.) осаждении - комбинированной позитивной (рис. 5,б). Вторую используют чаще. Как видно из рис. 5, сверление и металлизацию отверстий осуществляют до получения печатных проводников, что ис­ключает брак по причине срыва контактных площадок при сверлении отверстий и не требует применения специальных контактирующих приспособлений при электрохимической металлизации этих отверстий. Процесс изготовления ДПП по комбинированной негативной техноло­гии иногда используют для металлизации сквозных отверстий с одновременным доращиванием (гальваническим "усилением", например, припоем либо благородным металлом) проводящего слоя (так как защищенный слой фоторезиста сформирован на нерабочих участках фольги, а ее рабочие участки открыты для осаждения), после чего следует травление фольги с пробельных мест.

Преимуществами субтрактивной технологии изготовления ПП яв­ляются простота реализации и высокая технологичность при удов­летворительном качестве рисунка проводящего слоя.

Качество готовой ПП зависит от режимов обработок в производ­стве плат. Несоблюдение режимов обработок может привести к браку. При некачественной очистке перед нанесением фоторезиста плата может иметь места, имеющие плохую адгезию. При травлении это при­водит к стравливанию меди в ненужных местах или к подтравам из-за отслоения фоторезиста. Качество экспонирования может быть низким, если лампа недостаточно прогрета или фотошаблон неплотно приле­гает к заготовке; оно существенно зависит от плотности фотошаб­лона, которая может изменяться при замене фотошаблона, от толщины и сплошности слоя фоторезиста, условий экспонирования и во многом определяет точность рисунка проводящего слоя.

Рис.5а Основные операции субтрактивной технологии изготовления ПП с металлизацией сквозных отверстий: а) комбинированная негативная: I. Очистка заготовки фольгирования; II. Сверление сквозных отверстий; III. Сенсибилизация и активация; IV. Химическое осаждение меди; V. Формирование маскирующего покрытия; VI. Гальваническое наращивание меди; VII. Гальваническое наращивание материала припоя; VIII. Удаление маски; IX. Селективное травление проводящих слоев; X. Изготовление технологических отверстий; XI. Формирование защитного покрытия (для пайки). 1 - медная фольга; 2 - диэлектрическое основание платы; 3 -химическиосажденный слой меди; 4 маскирующее покрытие; 5 – гальванически осажденный слой меди; 6 - припои Sn/Pb; 7 - защитное покрытие для пайки; 8 - технологическое отверстие.

При термическом эадубливании увеличение температуры выше 140 °С обычно вызывает сложности удаления фоторезиста после травления проводящего слоя, а выше 160 °С может привести к растрескиванию фоторезиста и его отслаиванию прежде всего по краям рисунка.. В то же время недостаточная температура или время задубливания фоторезиста, как правило, также приводят к отслаиванию его при травлении проводящего слоя, поскольку интенсивная сорбция влаги пленкой фоторезиста в проявителе способствует ее разбуханию (деформации), а возникающие при этом напряжения приводят к разрушению адгезионных связей на границе фоторезист - заготовка платы. Скорость и качество травления зависят от ряда факторов: концентрации, температуры и интенсивности перемешивания травителя. В случае некачественной промывки после травления могут ухудшиться параметры платы в процессе эксплуатации вследствие коррозии печатных проводников, уменьшения поверхностного сопротивления диэлектрика и т.д. Поэтому отработка технологического процесса получения ПП на каждой операции для конкретного типа оборудования связана прежде всего с оптимизацией технологических режимов, например, подсушка фоторезиста перед экспонированием важна для осуществления контактной печати (в противном случае возможно повреждение фоторезиста фотошаблоном при печати), хотя воздействие температуры несколько снижает светочувствительные свойства фоторезистов, что отражается на точности воспроизведения рисунка в проводящем слое, следовательно, компромиссное решение - поиск оптимальной температуры.

Основными недостатками субтрактивной технологии и ее комбинированных вариантов являются большие потери при травлении (до 60 - 90 %) высококачественной электролитической меди, ограниченная плотность рисунка проводящего слоя (ограничивается толщиной фольги и связанными с этим подтравами) и, следовательно, невысокая плотность монтажа на таких ПП (применение тонкомерной фольги лишь частично решает эту проблему). Кроме того, при организации такой технологии требуется решение проблемы, связанной с переработкой сточных отходов, так как регенерация меди, нейтрализация травителей и очистителей экономически выгодны только в условиях крупных предприятий при больших объемах производства ПП. Тем не менее субтрактивная технология вследствие ее лучшей в сравнении с другими, освоенности и оснащенности пока еще занимает доминирующее положение в массовом производстве ПП в нашей стране.

В аддитивной технологии рабочая толщина печатных проводников достигается только путем химического меднения, поэтому технологическими приемами должно обеспечиваться прочное сцепление осаждаемой меди с поверхностью диэлектрика. С этой целью на его поверхность наносятся специальный адгезив, часто эпоксикаучук, толщиной 25-100 мкм, который затем обрабатывается диметилформамидом до частичного набухания и смесью, например, хромового ангидрида с серной кислотой до небольшого травления (подтравлввания) адгезива. В результате на поверхности адгезива возникают свободные связи, повышающие эффективность последующих процессов сенсибилизации и активами материала основания платы (в том числе и стенок отверстий).

При сенсибилизации на поверхности формируется пленка ионов двухвалентного олова, которые являются восстановителями для ионов активатора металлизации. Активация поверхности проводится растворами солей благородных металлов, чаще палладия, в результате чего на поверхности образуется тонкая пленка металлического палладия. Затем формируется защитный рельеф в слое фоторезиста и производится селективное химическое осаждение меди до получения рабочей толщины (10-30 мкм), после чего защитное покрытие удаляется.

Основные этапы изготовления ПП по аддитивной технологии представлены на рис. 6. Такая технология позволяет получать ширину печатных проводников и зазоры между ними до 65 мкм при толщине проводников до 30 мкм. Это существенно повышает плотность печатных проводников и монтажа на плате. Недостатки аддитивной технологии связаны прежде всего с тем, что процесс химического меднения - один из трудоемких и сложных в технологическом цикле производства ПП (на его долю приходится 20 - 40 % брака). Это объясняется целым рядом причин: низкой стабильностью раствора химического меднения, трудностью получения качественных слоев большой толщины, сложностью управления самим процессом химического осаждения, трудоемкой предварительной подготовкой материала основы платы, а также худшей адгезией и ухудшенными физико-химическими свойствами химически осажденной меди в сравнении с гальванической из-за различия их структур, что связано, со "спецификой, процессов осаждения.

Полуаддитивный способ изготовления ПП представляет собой реализацию сочетания технологий химического и гальванического осаждения. Особенность полуаддитивной технологии состоит в том, что на тонком (до 1,5-5 мкм) слое химически осажденной меди формируют рисунок в защитном покрытии так, чтобы рабочие участки меди были открытыми, после чего осуществляют гальваническое селективное наращивание проводников до толщины 20-50 мкм, затем удаляют зшдитное покрытие и тонкий слой меди с пробельных мест (рис. 7). Интерес к данной технологии возрос после существенного повышения адгезии печатных проводников за счет сенсибилизации и активации материала основания платы (включая стенки металлизируемых отверстий). Основные преимущества аддитивной и полуаддитивной технологий заключаются в возможностях повышения плотности коммутации ПП, значительной экономии меди и практически неограниченном выборе диэлектрического материала основания плат. Недостатками таких технологий являются снижение электрофизических свойств диэлектрических оснований в результате воздействия на них электролитов и (или) растворов химического меднения в процессе химико-гальванического или химического осаждения, меди, малая скорость химического осаждения меди (около 1-2 мкм/ч), нестабильность свойств растворов химического меднения и электролитов и др. (табл.1).

Совершенствование имеющихся и разработка новых технологий для получения металлической разводки при изготовлении плат осуществляются не только с целью улучшения качества металлизации, в особенности переходных отверстий (на долю которых приходится основной процент брака в производстве ПП), но и для повышения плотности коммутации плат, обеспечивающей их применение в сложных устройствах с высокоплотным монтажом. Кроме того, немаловажно учитывать проблемы улавливания и переработки сточных отходов химико-гальванического производственного участка в плане требований

Таблица 2

Сравнительная характеристика перспективных методов получения металлических покрытий

экологии и поиски в этой связи альтернативных экологически чистых технологий. Освоение новых технологий вакуумной металлизации (в основу которых положены методы осаждения электропроводящих покрытий в вакууме) для производства ПП и МПП (см. табл. 1) позволяет в отдельных случаях решить несколько проблем сразу, хотя и требует прецизионного оборудования и средств контроля технологического процесса. Использование сухих пленочных фоторезистов в производстве ПП перспективно не только в связи с увеличением выхода годных плат (до 90%) за счет улучшения качества защитной маски (особенно перед химическим меднением),но и вследствие сокращения числа операций при формировании маскирующего покрытия, а также возможности организация непрерывного экологически более чистого (чем традиционные) производственного цикла для получения рисунка коммутации в герметично замкнутом объеме.

Основные технологические процессы получения многоуровневой коммутации при изготовлении МПП охарактеризованы в табл. 2, где их перспективность представлена с точки зрения плотности рисунка коммутирующих элементов, электрофизических параметров, а также одного из показателей оценки надежности плат.

Формирование монолитной структуры МПП осуществляется с применением следующих технологий:

- пакетной, основанной на методе набора в пакет базовых слоев, т.е. отдельных заготовок (после создания на них одно- или двусторонней коммутации и металлизации переходных отверстий), обычно чередуемых со специальными прокладками с последующим их скреплением путем прессования, склейки, вакуумной пропайки через сквозные металлизированные отверстия и т.д. Для повышения точности совмещения и качества межслойных соединений в пакете важно не только использование точных систем базирования (при формировании базовых отверстий в основаниях заготовок) и тонких диэлектрических оснований заготовок, но и правильный выбор технологического варианта и режимов процесса скрепления базовых слоев в пакете (попарное либо одновременное прессование и др.). Количество слоев МПП в этом случае ограничивается в основном допустимой погрешностью совмещения межслойных переходов базовых слоев, которая возрастает с увеличением количества таких слоев;

- наращивания слоев (иногда ее называет подложечной технологией}, основанной на методах послойного наращивания чередующихся коммутационных слоев (уровней коммутации) с изолирующими (диэлектрическими). Обычно это осуществляется приемами тонко- или толстопленочной технологий. Количество слоев в данном случае ограничивается преимущественно размерами рельефа коммутации (возрастающего с увеличением числа ее слоев), приводящего к ухудшению функциональных параметров электронных устройств.

Таблица 3

*Под полимерной технологией следует понимать технологический процесс получения ПП (КП) с применением полимерных проводящих и диэлектрических паст, наносимых, например, трафаретной печатью. Полимерная технология может быть реализована с применением припойных материалов (так называемая полимерно-припойная технология) и без них (так называемая бесприпойная или чисто полимерная технология). В последнем случае для получения электрических соединений принавесных компонентов на плате используют электропроводящие полимерные клеи (контактолы).

Заключительные операции в изготовлении ПП, консервация ПП

Изготовитель должен гарантировать сохранение паяемости печатных плат в течение длительного срока их хранения (шесть месяцев). С этой целью производится оплавление металлорезиста (гальванически осажденного сплава олово-свинец) на платах или их горячее лужение.

При оплавлении структура сплава уплотняется в 1,3 - 1,5 раза и из него удаляются остатки электролита и других загрязнений. В промышленности применяют оплавление с помощью ИК-излучения или в жидком теплоносителе.

Если при изготовлении плат не предусматривается покрытие их проводящих дорожек металлорезистом (например, для ОПП или плат, изготавливаемых аддитивным способом), то для улучшения паяемости применяют горячее лужение их проводящего рисунка с помощью припоя типа ПОС-61. Нанесение припоя производят способом погружения или волной расплава (первый способ). Толщина припоя на платах составляет 6-10 мкм, а его излишки удаляются непосредственно после нанесения (пока он не успел затвердеть) с помощью центрифуг, ракелей, струй горячего воздуха и т.д. Второй способ лужения заключается в нанесении на плату строго дозированного количества припоя в зону пайки. Для этого применяют специальные припойные пасты и, например, трафаретную печать с последующим оплавлением пасты либо одну или несколько пар валков, вращающихся в расплавленном припое.

Заключительные операции в производстве печатных плат включают: подготовку поверхности ПП для консервации, контроль качества подготовки и консервацию (на межоперационное или длительное хранение). Удаление с плат загрязнений и осветление металлического покрытия для сохранения его паяемости производится специальными растворами с последующей конвекционной сушкой при 40-60°С в течение шести часов.

Контроль качества печатной платы можно производить визуально. При этом необходимо обратить внимание на соответствие рисунка металлизации платы ее топологии, например приведенной на рис. 8, а также на возможные дефекты: наличие подтравов и неотравленных участков, загрязнение диэлектрика остатками травителя и фоторезиста, отслаивание фольги от основания, неравномерное оплавление припоя, затекание припоя на диэлектрическое поле платы, следы ожогов и т.д.

При более тщательном контроле необходимо измерять геометрические размеры с помощью часового проектора или инструментального микроскопа, а также измерять величину адгезионной прочности проводников к печатной плате методом отрыва (на контрольных образцах).

В зависимости от сложности металлической разводки (плотности рисунка, размеров топологических элементов и уровней металлизации) качество изготовленных ПП определяют по проверке целостности электрических цепей, отсутствию коротких замыканий, а также по оценке надежности с применением различного вида испытаний (в том числе ускоренных) тест-плат на, устойчивость к термоциклам или другим воздействиям. По результатам испытаний можно судить не только об эксплуатационной надежности плат, но и о степени совершенства технологии их изготовления (рис. 9).

Печатный платы консервируют с применением, например, ацетоноканифольного или спиртоканифольного флюса, распыляемого по поверхности и в отверстия плат в специальных распылительных камерах. После просушки их упаковывают в полиэтиленовые пакеты каждую отдельно или последовательно по несколько штук (в пакеты на ленте).

Оборудование и специфика автоматизации производств для изготовления печатных плат

На предприятиях, выпускающих ПП (МПП), используемое оборудование обычно подразделяют на три большие группы: для изготовления фотошаблонов, для изготовления ПП и для их контроля (в процессе и после изготовления).

При изготовлении фотошаблонов используются координатографы для получения оригиналов (например, обработкой световым лучом светочувствительного слоя); фотоуотановки для изготовления фотошаблонов с прозрачных и непрозрачных оригиналов; контактно-копировальные станки для контактного копирования с негативов или диапозитивов на светочувствительный слой; установки проявления после экспонирования светочувствительных слоев; сушильные шкафы для сушки фотошаблонов. Кроме того, используется различное оборудование для выполнения подготовительных операций (формовки заготовок фотошаблонов, их очистки и др.).

В комплекс оборудования для производства печатных плат входит оборудование для резки листовых материалов, сверления отверстий, обработки заготовок, создания проводящих либо диэлектрических покрытий, формирования рисунка в проводящем слое, получения печатного рисунка на диэлектрическом основании, прессования базовых слоев в пакет и другие в зависимости от технологии изготовления ПП (МПП).

Комплекс контрольно-измерительного оборудования включает системы контроля либо контроля и стабилизации параметров технологических сред*, например, автоматическая установка контроля режима прессования в производстве МПП, автоматическая линия контроля режима травления либо химического или электрохимического осаждения и др., а также системы контроля качества изделия на разных этапах его производства и после изготовления, например установки контроля качества очистки печатных плат, целостности проводников, наличия короткозамкнутых цепей, сопротивления и электрической прочности диэлектрических участков печатных плат и др.

*Под технологической средой следует понимать совокупность технологических материалов (основных и вспомогательных) и воздействий (температуры, давления и др.), используемых для реализации синтеза изделия.

Спецификой автоматизированного производства ПП, обеспечивающего повышение качества и объема выпуска изделий при снижении себестоимости, является учет на этапе их проектирования:

- класса плотности коммутации (по ширине и шагу проводников, равных 0,75; 0,45; 0,25; 015 и 0,10 мм, соответственно различают 1-5 классы плотности коммутации ПП) и связанные с этим требования необходимого уровня автоматизации производства, например, по точности расположения базовых и других отверстий, размеров диаметров отверстий, размеров зазоров между проводящими элементами и т.д.;

- стандартизации габаритных размеров ПИ (для уменьшения числа регулировок технологического оборудования, включая транспортные системы);

- возможности встроенного тест-контроля качества ПП на ответственных операциях автоматизированного производства;

- размерной стабильности материалов для ПП и технологической оснастки (фотошаблонов, трафаретов и т.д.) в условиях автоматизированного производства;

- принципов системотехники, а также базы данных для необходимого оборудования с целью разработки автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП).

Необходимость в оснащении автоматизированных технологических линий системами прецизионного контроля параметров технологических сред и технического зрения должна быть экономически обоснована с учетом минимизации производственных погрешностей.

Анализ распределения операционных погрешностей в производстве МПП (табл. 3) показывает, что суммарная погрешность уменьшается в основном за счет постоянного повышения точностных характеристик технологического оборудования, что не может продолжаться бесконечно. Поэтому важны разработки новых технических решений, позволяющих снизить или полностью исключить влияние технологических факторов на свойства (например, деформацию) материалов ПП. К таким решениям можно отнести: замену пленочных полимерных оснований фотошаблонов на стеклянные; исключение припрессовки фольги к диэлектрикам я применение способов осаждения проводящих слоев (например, при разложении металлоорганических соединений, плазмотронным распылением и т.д.) на диэлектрическое основание платы; получение проводящего рисунка непосредственно в фоторезисте (т.е. без фотошаблона) при помощи лазерных сканирующих генераторов изображения и др. Разработка новых автоматических средств для производства ПП (МПП продолжается в направлении поиска перспективных методов и способов, которые бы позволили не только повысить уровень автоматизации оборудования, но и качество выполняемых им функций. Так, совершенствование автоматов для получения печатного рисунка осуществляется адекватно возрастаниям требованиям к регулировке технологических параметров по количеству и точности, к настройке (и перенастройке) оборудования, к дозировке технологических материалов, а также к системам загрузки-выгрузки заготовок и обеспечения непрерывности процесса формирования рисунка. Вакуумное прессование в производстве МГШ с прецизионно контролируемой технологической средой способствует существенному повышению выхода годных плат с минимальными внутренними напряжениями и искажениями в их структурах. Проблемы совершенствования автоматов для сверления связаны в основном с тенденцией к уплотнению коммутации на ПП (МПП), следствием чего являются уменьшение диаметра отверстий, повышение плотности размещения и увеличение глубины отверстий. Минимальный диаметр сверла, изготовление которого удалось освоить за рубежом, составляет 0,2 мм, но выход годных ПП при его использовании не превышает 30%. С применением отечественных лазерных систем сверления предполагается уменьшить диаметр отверстий в ПП до 0,1 мм (при оптимальной длительности серий импульсов и плотности лазерной мощности), а также обеспечить лучшее качество металлизации отверстий в сравнения с традиционным сверлением.

Автоматизация процессов нанесения гальванических и химических покрытий осуществляется в двух направлениях: автоматизация транспортировки заготовок из ванны в ванну, что обеспечивает точное соблюдение технологии и сокращает продолжительность вспомогательных операций; автоматизация контроля, регулирования и стабилизации основных параметров технологических сред (например, плотности тока, температуры, рН, уровня и циркуляции электролита при гальваническом осаждении меди), что позволяет повысить производительность труда (например, при гальваническом осаждении) в 1,5 - 2,5 раза, сократить число работающих и резко улучшить качество прокрытая. Второе направление во многом связано с поиском эффективных методов контроля и первичных источников информации (например, датчиков для определения площади металлизации при гальваническом осаждении, что значительно упростило бы существующие способы контроля и стабилизации плотности тока электролита). При разработке или выборе АСУ ТП осаждения металлических покрытий важно правильно определять критерии оптимизации (или показатели оптимальности) процесса. Например, производительность гальванической линии - важный показатель режима ее работы, однако, число заготовок, обрабатываемых в единицу времени, не может служить для его объективной оценки, так как при этом не учитывается толщина и площадь осаждаемого покрытия, поэтому в данном случае производительность N целесообразно определять как N=S×δ/t , где S - площадь поверхности покрытия одновременно обрабатываемых заготовок; δ - толщина покрытия; t - время нанесения покрытия. Перспективны, с точки зрения повышения производительности, гальванические автоматические линии с автооператорами, маршрут и последовательность действий которых, а также контроль параметров процесса осаждения, осуществляется АСУ ТП (допускающими оперативную перенастройку) по оптимальным циклограммам.

В последние годы появились автоматические линии для химической металлизации оснований ПП. Учитывая высокую стоимость растворов, например, для химического меднения, линии укомплектовывают ваннами (сборниками) для улавливания остатков химикатов, что позволяет уменьшить их содержание в проточной воде в 10 раз. Кроме того, получение высококачественных покрытий химическим осаждением требует оснащения линий системами нагрева рабочего раствора, покачивания, автоматического дозирования компонентов раствора и его расхода, фильтрации, барботажа очищенным воздухом, контроля технологических сред и т.д. Для обеспечения экологической безопасности автоматические линии гальванического и химического осаждения металлических покрытий должны быть организованы по замкнутому циклу работы, т.е. дополнительно содержать системы очистки и регенерации рабочих жидкостей с целью дальнейшего их использования в рабочих модулях.

Домашнее задание

1. Ознакомиться с материалом, изложенным в описании работы. Изучить процесс изготовления ПП по субтрактивной технологии.

2. Ознакомиться с технологическим оборудованием и правилами работы на нем (описания на оборудование получить у лаборанта).

3. Составить форму табл. 4, заполнив до выполнения работы графу "Наименование технологических операций".

4. Подготовить ответы на контрольные вопросы.

Лабораторное задание

1. Изготовить печатную плату по субтрактивной технологии, используя методические указания, изложенные в описании, и оценить качество выполненной работы.

2. Результаты выполнения работы занести в форму табл. 4.

3. Составить отчет в соответствии с требованиями к отчету.

Оборудование, приборы, приспособления,

Инструменты и материалы

Для изготовления печатных плат в лаборатории имеется следующее оборудование: установка нанесения фоторезиста, установка ИК-сушки, установка совмещения и экспонирования, шкаф химический (типа 2Ш-НЖ), термошкаф «Электродело».

В работе используются следующие приборы, приспособления и инструменты: микроскоп типа МБС-9, держатель фотошаблона, фотошаблон, пинцет, тара технологическая, чашка Петри, ванночка для травления.

Материалы: травитель для меди, проявитель для фоторезиста, спирт этиловый ректификованный, фоторезист позитивный (типа ФП-383), ацетон, бязь, батист, вода дистиллированная, фильтры обеззоленные, фольгированный стеклотекстолит, напальчники, спецодежда.

Форма табл. 4

• ⇐ Назад
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• 101112
• 13
• 14
• 15
• 16
• 17
• 18
• 19
• Далее ⇒