Получение рисунка печатной платы

Основными методами получения защитного рисунка печатной платы являются фотопечать и трафаретная печать.

Фотопечать. Фотопечать представляет собой способ нанесения изображения рисунка печатных проводников на материал основа­ния, покрытый светочувствительным слоем (фоторезистом), экспо­нируемым через фотошаблон с требуемым изображением.

Фотошаблон рисунка печатной платы — это негативное или по­зитивное изображение требуемого рисунка в масштабе 1:1 на стек­лянной фотопластинке или пленочном материале, полученное путем фотографирования с оригиналов рисунка печатной платы.

Оригинал рисунка печатной платы представляет собой изобра­жение технологического слоя платы, выполненное в увеличенном масштабе, обычно в позитивном изображении. При этом рисунок оригинала соответствует рисунку чертежа платы по степени почер­нения (проводники и контактные площадки черные, а пробельные места белые). Если на плате имеются экраны, занимающие боль­шую площадь, то оригиналы рисунка печатной платы выполняют в негативном изображении (рисунок оригинала противоположен ри­сунку печатной платы по степени почернения).

Для получения оригиналов рисунка печатной платы применяют вычерчивание, наклеивание липкой ленты, резание по эмали и дру­гие способы.

Вычерчивание оригинала печатной платы произ­водят на специальной чертежной бумаге с помощью сдвоенных рейс­федеров, плакатных перьев, лекал и др. Для ускорения процесса вычерчивания рекомендуется на бумагу предварительно нанести типографским способом координатную сетку. Вследствие высокой трудоемкости и низкой точности этот способ используется редко.

Наклеивание липкой ленты значительно сокращает трудоемкость изготовления оригинала печатной платы. При этом на бумагу с координатной сеткой, наклеенную на недеформирующуюся основу (стекло, алюминий и др.), наносят центры монтажных отвер­стий и контактные площадки, а проводники получают приклеивани­ем непрозрачной липкой ленты.

Резание по эмали применяют для плат, требующих высо­кой точности выполнения проводников. Толщина слоя эмали, нано­симого на заготовки из стекла, составляет 30...50 мкм. Эмаль нано­сят краскораспылителем в несколько слоев. После сушки заготовку устанавливают на стол координатографа. Головка, в которой за­креплен резец, может перемещаться по координатным осям и про­резать контуры элементов печатной схемы с точностью ±0,05 мм. Надрезанную эмаль удаляют пинцетом. Если оригинал изготовляют в позитивном изображении, то ее удаляют с пробельных мест. Вы­сокая точность изготовления оригинала печатной платы позволяет применять сравнительно небольшое увеличение при его изготовлении и получать фотошаблоны более высокой точности (в 4...10 раз), чем при ручном способе.

Для определения размеров оригинала печатной платы при фо­тографировании и для совмещения фотошаблонов на технологиче­ском поле оригинала печатной платы выполняют кресты и дру­гие реперные знаки. Кресты, выполненные по углам (рис. 24.3, а), предназначены для проверки точности соблюдения заданного мас­штаба уменьшения при фотографировании. Два из них, располо­женные по диагонали или по большой стороне, используют в даль­нейшем для пробивки базовых отверстий, а пятый крест — для ориентирования. При изготовлении печатных плат, не требующих высокой точности, допускается использование при фотографирова­нии в качестве базового размер между наиболее удаленными кон­тактными площадками (размер Л).

Рис.24 3. Пример выполнения фотооригинала:

а — односторонней печатной платы;

б — тест-платы;

с — диаметр контактной

площадки под отверстие минимального диаметра;

d — диаметр контактной площадки под отверстие максимального размера.

На технологическом поле платы могут предусматриваться сле­дующие элементы для контроля параметров печатной платы (рис.24.3 , б):

1 — для определения числа перепаек;

2 — для контроля прочности сцепления фольги с диэлектриком;

3—для контроля сопротивления изоляции между отверстиями;

4 — для контроля сопротивления изоляции между проводниками.

Недостатком рассмотренных методов получения фотошаблонов является необходимость масштабного фотографирования. Этот не­достаток устраняется при получении требуемой схемы в масштабе 1 :1 непосредственно на фотопластинке сканирующим световым лучом с помощью координатографа. Последний позволяет наносить изображения прямолинейных линий шириной 0,25...4 мм и контакт­ные площадки различной конфигурации. Рисунок печатного монта­жа кодируется и переносится на перфоленту, которая помещается в, считывающее устройство координатографа. Информация одного кадра вводится в блок управления, где преобразуется в импульсы для шаговых двигателей. Последние работают раздельно, переме­щая координатный стол по оси х или у. При совместной работе двигателей стол перемещается под углом 45°. Точность установки координат ±25 мкм. Форму и размеры контактных площадок оп­ределяют диафрагмы. Сменные диски содержат от 16 до 32 различ­ных по конфигурации диафрагм. Требуемые размеры и яркость све­тового луча обеспечивается оптической головкой.

Рис. 24.4. Схема системы автоматизированного проектирования печатных плат

Наиболее целесообразным является получение оригиналов фото­шаблонов в системах автоматизированного проектирования печат­ных плат (рис.24.4).

Фоторезисты представляют собой тонкие пленки органических растворов, которые должны обладать свойствами после экспониро­вания полимеризоваться и переходить в нерастворимое состояние. Основные требования, предъявляемые к фоторезистам, — высокая разрешающая способность, светочувствительность, устойчивость к воздействию травителей и различных химических растворов, хоро­шая адгезия с поверхностью изделия.

Под разрешающей способностью фоторезиста понимается число линий, которое можно нанести на один миллиметр поверхности пла­ты с расстоянием между ними, равным их ширине. Разрешающая способность зависит от вида фоторезиста и толщины слоя. При тон­ких слоях она больше, чем при толстых.

По способу образования рисунка фоторезисты делятся на:

• нега­тивные,

• позитивные.

Участки негативного фоторезиста, находящиеся под прозрачны­ми участками фотошаблона, под действием света получают свойст­во не растворяться при появлении. Участки фоторезиста, располо­женные под непрозрачными местами фотошаблона, легко удаляют-г ся при проявлении в растворителе. Таким образом создается' рельеф, представляющий собой изображение светлых элементов фотошаблона (рис. 24.5, а).

Рис. 24.5. Образование за­щитного слоя фоторезиста:

а — негативного, б — позитивного;

1 — фотошаблон; 2 — фоторезист; 3 — плата

Негативные фоторезисты изготовляют на основе поливинилово­го спирта. Их широко применяют вследствие отсутствия токсичных составляющих, высокой разрешающей способности (до 50 линий/мм), прос­тоте проявления и низкой стоимости. Недостатком этих фоторезистов явля­ется невозможность хранения более 3 ... 5 ч заготовок с нанесенным слоем, так как последний задубливается не только под действием света, но и в темноте. Кроме того, с понижением влажности и температуры окружаю­щей среды уменьшается механическая прочность светочувствительного слоя и его адгезия с фольгой.

Позитивный фоторезист под дейст­вием облучения изменяет свои свойст­ва таким образом, что при обработке в проявителях растворяются его облу­ченные участки, а необлученные (находящиеся под непрозрачны­ми участками фотошаблона) остаются на поверхности платы (рис. 24.5, б).

Для позитивных фоторезистов применяют материалы на основе диазосоединений, которые состоят из светочувствительной полимер­ной основы (новолачной смолы), растворителя и некоторых других компонентов. По адгезионной и разрешающей способности они пре­восходят негативные фоторезисты, но имеют более высокую стои­мость и содержат токсичные растворители. Разрешающая способ­ность позитивных фоторезистов составляет до 350 линий/мм. До­стоинством позитивного фоторезиста является отсутствие дубления при хранении заготовок с нанесенным светочувствительным слоем.

В технологическом процессе производства печатных плат приме­няют жидкие и сухие фоторезисты.

Жидкие фоторезисты наносят погружением (окунанием), поли­вом с центрифугированием, накатыванием ребристым роликом й другими способами.

Погружение (рис. 20.5, а) является самым простым способом, который дает возможность получить слой фоторезиста на двух сто­ронах платы.

Сухие резисты получили большее распространение, так как они более технологичны и просты в использовании.

Метод фотопечати обеспечивает высокую разрешающую способность, позволяющую получать проводники шириной и расстоянием между ними 0,1 мм.

Т рафаретная печать (сеткографический метод).

Метод основан на получении необходимого рисунка схемы на поверхности медной фольги путем продавливания защитной краски резиновым ракелем через сетчатый трафарет. Сетки для трафаретов изготовляют из капроновых или лавсановых нитей. Более высокая точность рисун­ка схемы получается при использовании сетки из фосфористой брон­зы или нержавеющей стали диаметром 35...40 мкм. Размер ячейки трафарета составляет 60...80 мкм. Металлическая сетка выдержи­вает большое число оттисков и применяется в серийном про­изводстве.

Рис. 24.6. Нанесение защитного слоя через трафарет: а — принципиальная схема; б — схема автомата.

Недостатками ее по сравнению с шелковой сеткой являются малая эластичность и склонность к окислению. Требуемый рисунок на трафа­рете получается с помощью фоторезистов. Открытые участ­ки сетки трафарета соответст­вуют рисунку печатной платы.

Краска для защитного слоя должна обладать высокой кис-лотостойкостью, хорошей ад­гезией с платой, минимальным временем сушки и сметанооб-разной консистенцией. Жид­кая краска дает расплывчатое изображение, а густая трудно продавливается через трафа­рет. Печатные свойства крас­ки и их адгезионная способ­ность зависят от связующего вещества, в качестве-которого используют различные смолы ами. В состав краски

входят также растворители (керосиновая фракция, уайт-спирит и др.), разбавитель и компоненты, улучшающие вязкость, плас­тичность, растекаемость и адгезионные свойства краски. Наибо­лее широко используют краску СТ3.12—51 и гальваностойкую краску СТ3.13.

При нанесении краски вручную.(рис. 24.6, а) плату 4 устанав­ливают по базовым технологическим отверстиям и наносят некото­рое количество краски, обеспечивающее образование валика 2 вдоль всей длины шпателя 1 при его движении по трафарету 3. Волна краски перед шпателем является своеобразным резервуаром, обес­печивающим с некоторым избытком весь процесс печати. Отпеча­танную плату помещают в сушилку. Сушку осуществляют до тех пор, пока плату можно будет взять в руки без опасения повредить оттиск. В случае двусторонней платы таким же образом наносят схему с другой стороны платы.

Машинная печать предусматривает осуществление тех же опе­раций, что и ручная. Движение шпателя, подача резиста и подъем трафарета автоматизированы. Платы подаются на рабочую пози­цию (рис. 24.6, б) из магазина 1 столом 2, снабженным вакуум­ным присосом. Вакуумный насос 11 включается переключателем 10. Движением стола управляет кулачок 8, сидящий на распредели­тельном валу 9. Сетчатый трафарет 5, закрепленный в рамке, мо­жет перемещаться в вертикальном направлении от кулачка 7. Ра­бочий ход ракеля 3 осуществляется при движении стола от кулач­ка 6. В конце рабочего хода ракель поворачивается вокруг оси 4, вакуум снимается и плата с нанесенным рисунком направляется на сушку.

Получение рисунка схемы методом трафаретной печати на 60% дешевле, чем фотохимическим.

Однако метод трафаретной печати имеет малую разрешающую способность, которая определяется размером ячеек в сетке (обычно 0,08 мм). Так как краска растекается, то разрешающая способность уменьшается до 0,10...0,15 мм. Трафаретную печать используют, если ширина проводников и расстояние между ними более 0,3 мм, точность переноса изображений не выше 0,1 мм.

Типичные дефекты трафаретной' печати — поры и проколы в слое нанесенного резиста, неровные края проводников, неравно­мерная толщина. Основными причинами дефектов являются запы­ленность помещения, несоответствующая вязкость резиста, износ трафарета, царапины на трафарете, возникающие от твердых час­тиц, попадающих в краску. На свойство красок существенно влия­ют климатические условия на участке (температура, влажность).

Лекция № 25: « Химические и гальванические процессы изготовления печатных плат».