Домашняя работа_методические указания

Министерство образования и науки Российской Федерации

Калужский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»

(КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана)

И.В. Чухраев

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Методические указания по выполнению домашней работы по дисциплине «Технология производства электронных средств»

Калуга - 2017

УДК 621.396

Методические указания составлены в соответствии с учебным планом КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана по направлению подготовки 11.03.03 Конструирование и технология электронных средств.

Методические указания рассмотрены и одобрены:

- кафедрой «Компьютерные системы и сети» (ЭИУ2-КФ)

протокол №____ от ___ ______________ 2017 г. Зав.кафедрой ЭИУ2-КФ _________________ к.т.н., доцент Чухраев И.В.

- методической комиссией факультета ЭИУК протокол №____ от ___ ______________ 2018 г.

Рецензент ________________ профессор кафедры ЭИУ3-КФ, д.т.н. Корнюшин Ю.П.

Автор ________________ доцент кафедры ЭИУ2-КФ, к.т.н. Чухраев И.В.

Методические указания содержат необходимые теоретические сведения и варианты задания для выполнения домашней работы в рамках самостоятельной работы студентов по дисциплине «Технология производства электронных средств», а также порядок ее выполнения и требования к отчету.

Представленные материалы предназначены для самостоятельного выполнения домашней работы студентами направления подготовки 11.03.03 Конструирование и технология электронных средств.

©КФ МГТУ им Н. Э. Баумана, 2017 г.

©Чухраев И.В., 2017 г.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………...4 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ……… …………………………………………………...5 1.1. Точность изготовления ПП ………………..………………………..…………............5 1.2. Материалы основания ПП... ………………………………………………...................5 1.3. Методы изготовления ПП………………………………………………..……………..7 1.3.1. Аддитивные методы……………………………………………………………....7 1.3.2. Субтрактивные методы…………………………………………………………...8 1.3.3. Комбинированные методы………………………………………………………..8

1.3.4. Полуаддитивный метод с дифференциальным травлением……………………9 1.4. Основные этапы изготовления ПП и методы их реализации………………………...9 1.4.1. Входной контроль…………………………………………………………………9 1.4.2. Получение заготовок печатных плат…………………………………………...10 1.4.3. Получение фиксирующих и технологических отверстий…………………….11 1.4.4. Получение монтажных и переходных отверстий……………………………...11 1.4.5. Подготовка поверхности ПП……………………………………………………13

1.4.6. Металлизация ПП………………………………………………………………..15

1.4.7. Формирование защитного рельефа……………………………………………..17

1.4.8. Травление………………………………………………………………………...22 1.4.9. Обработка ПП по контуру………………………………………………………23 1.5. Типы производств……………………………………………………………………..24

1.6. Виды технологических процессов……………………………………………………25

2. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ……………………………………...26 3. ФОРМА ОТЧЕТНОСТИ О ВЫПОЛНЕННОЙ РАБОТЕ, ТРЕБОВАНИЯ

К ОФОРМЛЕНИЮ…………………………………………………………………………26

4. ВАРИАНТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ……………………………………..…..28

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ……………………………………………………………….29

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ……………………………………...30

3

ВВЕДЕНИЕ

Настоящие методические указания составлены в соответствии с программой дисциплины «Технология производства электронных средств» и ориентированы на студентов 3-го курса направления подготовки 11.03.03 Конструирование и технология электронных средств кафедры «Конструирование и производство электронной аппаратуры» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Методические указания содержат необходимые теоретические сведения, варианты задания для домашней работы, а также порядок ее выполнения и требования к отчету. Для выполнения домашней работы студенту необходимы минимальные знания по технологии изготовления печатных плат (ПП) и знание базовых понятий в области технологии производства электронных средств (ЭС).

Целью выполнения домашней работы является формирование практических навыков по технологической подготовке производства ПП.

Основными задачами выполнения домашней работы являются:

-выбор материала основания и метода изготовления ПП на основе анализа исходных данных;

-разработка маршрутного технологического процесса (ТП) изготовления ПП;

-разработка технологических операций (разбиение на переходы, выбор и назначение оборудования, приспособлений, инструментов, измерительных устройств и т.п.).

4

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. Точность изготовления ПП

Точность изготовления ПП зависит от комплекса технологических характеристик и с практической точки зрения определяет основные параметры элементов печатной платы, такие как минимальная ширина проводников, минимальный зазор между элементами проводящего рисунка и т.д.

ГОСТ Р 53429 2009 предусматривает семь классов точности ПП (таблица 1), и в конструкторской документации на ПП должно содержаться указание на соответствующий класс, который обуславливает необходимый уровень технологического оснащения производства. Поэтому выбор класса точности всегда связан с конкретным производством.

Таблица 1 – Классы точности ПП

П р и м е ч а н и е . t - ширина печатного проводника; S - расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка; b - гарантированный поясок контактной площадки.

1.2.Материалы основания ПП

Вкачестве материала основания ПП используются:

1. Диэлектрики, относящиеся к слоистым пластикам и состоящие из наполнителя и связующего вещества.

Связующее вещество – различные синтетические смолы, в частности фенольная или фенолоэпоксидная.

Наполнители:

электроизоляционная бумага – материал основания ПП платы гетинакс;

стеклоткань – материал основания ПП стеклотекстолит.

Слоистые диэлектрики поставляются в виде листов, формат которых определяется, как правило, фирмой производителем. Если для выбранного материала информация о формате листов недоступна, то в учебных целях можно принять следующий ряд форматов, являющихся наиболее распространенными: 1100×1000 мм, 1200×1040 мм, 1220×1020

мм, 1220×1060 мм, 2450×1040 мм.

2.Диэлектрики, относящиеся к неполярным линейным полимерам, в частности фторопласт, полиэтилен, полистирол и их сополимеры (для ПП СВЧ диапазона).

3.Диэлектрические армированные пленки из фторопласта-4 и лавсана (для гибких печатных плат и печатных кабелей).

4.Диэлектрические термопластичные материалы в виде сложных композиций на основе полиэфирсульфонов и полиэфиримидов (для рельефных ПП).

5.Диэлектрические керамические материалы, выпускаемые промышленностью в виде пластинок размером от 20×16 до 60×48 мм (для одно- и многослойных коммутационных плат микросборок и для ПП СВЧ-диапазона).

6.Металлы, в частности алюминий или сплавы железа с никелем, с поверхностным диэлектрическим слоем (для ПП с повышенной токовой нагрузкой).

В качестве материала проводников используется электротехническая медь (чистота 99,5 %) в виде фольги, толщиной 5, 18, 35, 50, 70, 100 и 105 мкм, нанесенной на основание методом плакирования - прессованием при повышенной температуре (усилие отрыва фольги не менее 8 кг).

Номенклатура наиболее широко применяемых материалов отечественного производства приведена в таблице 2.

5

Таблица 2 – Отечественные материалы основания ПП

В производстве ПП широко применяются не только отечественные, но и импортные материалы основания ПП. Некоторые фольгированные материалы по стандарту NEMA приведены в таблице 3. Встречающиеся в таблице в качестве наполнителя стеклошпон и стеклобумага относятся к нетканым материалам из стекла и представляют собой тонкий или толстый слой хаотически расположенных стеклянных штапельных волокон (стекловолокно длиной 1–50 см с диаметром волокон 0,1–20 мкм), скрепленных между собой связующим.

6

Таблица 3 – Фольгированные материалы основания ПП по стандарту NEMA

Выбор материала основания ПП определяется:

методом получения ПП;

количеством слоев ПП;

требуемой толщиной печатных проводников;

требованиями к тепло и влагостойкости;

требуемой стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся климатических условий;

требуемой механической прочностью;

требуемыми электроизоляционными свойствами;

требуемым количеством перепаек;

требуемой обрабатываемостью;

минимальной стоимостью.

При выборе материалов ПП следует иметь в виду, что:

-при использовании недорогих отечественных стеклотекстолитов при ширине проводников и зазоров между ними менее 0,3 мм большой процент ПП уйдет в брак, что увеличит стоимость ПП и приблизит к стоимости ПП на импортных материалах;

-при изготовлении двусторонних ПП отечественные материалы целесообразно применять, если нет повышенных требований по климатическим воздействиям и частотным характеристикам;

-если стоимость модуля 1-го уровня (ячейки) превышает стоимость ПП примерно в 10 раз, желательно использовать импортные материалы;

-подготовка производства ПП на импортных материалах в 2 – 2,4 раза дороже чем на отечественных, а изготовление 1 дм2 – в 1,8–2,2 раза и зависит от объема заказа в дм2 или типа производства и наличия-отсутствия защитной паяльной маски;

-применение защитных паяльных масок увеличивает стоимость ПП на отечественных материалах примерно на 30–35 %, а на импортных – на 5 %.

1.3. Методы изготовления ПП 1.3.1. Аддитивные методы

Применение: односторонние ПП (ОПП), двусторонние печатные платы (ДПП), наружные и внутренние слои многослойных ПП (МПП) до 7-го класса точности включительно.

7

Сущность: избирательное осаждение токопроводящего покрытия на нефольгированое диэлектрическое основание с одновременной металлизацией отверстий (толстослойная химическая металлизация ─ ТХМ).

Достоинства: нет подтравливания, повышение плотности монтажа, уменьшение расхода меди.

Недостатки: меньшая прочность сцепления проводников с основанием, низкая производительность (скорость осаждения меди составляет 2–4 мкм/час), ухудшение свойств диэлектрика.

1.3.2. Субтрактивные методы

Химические методы (позитивный и негативный)

Применение: ОПП, односторонние гибкие ПП (ГПП), гибкие печатные кабели (ГПК), внутренние слои МПП до 3-го класса точности включительно.

Сущность: формирование проводящего рисунка путем удаления (травления) фольги с непроводящих (пробельных) участков.

Достоинства: простота реализации, возможность полной автоматизации процесса изготовления, высокая производительность, низкая себестоимость.

Недостатки: отсутствует возможность металлизации монтажных и переходных отверстий, низкая плотность компоновки связей, наличие экологических проблем из-за образования больших объемов отработанных травильных растворов

Метод фрезерования (оконтуривание проводников)

Применение: ОПП и ДПП до 5-го класса точности включительно в условиях единичного производства.

Сущность: формирование проводящего рисунка путем механического удаления фольги с непроводящих (пробельных) участков при помощи режущего инструмента.

Достоинства: высокая оперативность, простота реализации, отсутствие экологических проблем.

Недостатки: низкая производительность, высокая стоимость оборудования.

1.3.3. Комбинированные методы

Комбинированный позитивный метод

Применение: ОПП, ДПП, двусторонние ГПП, внутренние и наружные слои МПП до 5-го класса точности включительно.

Сущность: изготовление печатных плат из фольгированного диэлектрика с металлизацией монтажных и переходных отверстий химико-гальваническим способом.

Достоинства: высокая плотность монтажа, высокая точность.

Недостатки: травление рисунка по металлорезисту ограничивает свободу выбора травящих растворов, относительно большая глубина травления (фольга + металлизация гальванической затяжки) создает боковой подтрав, ограничивающий разрешающую способность процесса.

Комбинированный негативный метод

Применение: ОПП, ДПП и двусторонние ГПП до 4-го класса точности включительно. Сущность: изготовление печатных плат из фольгированного диэлектрика с металлизацией монтажных и переходных отверстий химико-гальваническим способом.

Достоинства: достаточно высокая точность.

Недостатки: процесс трудоемкий, большие затруднения в организации электрического контакта стенок отверстий с катодом гальванической ванны, что обуславливает наличие заметного количества непокрытых или плохо покрытых отверстий.

Тентинг-метод

Применение: ОПП, ДПП и двусторонние ГПП до 4-го класса точности включительно.

8

Сущность: изготовление печатных плат из фольгированного диэлектрика с металлизацией монтажных и переходных отверстий химико-гальваническим способом, причем сначала производится металлизация платы с высверленными отверстиями, а затем поверхность платы накрывается сухим пленочным фоторезистом и рисунок проявляется так, что фоторезистом защищаются проводники и отверстия.

Достоинства: процесс короче комбинированного позитивного метода и поэтому дешевле. Недостатки: большой фактор подтравливания на суммарной толщине меди фольги и общей металлизации.

1.3.4. Полуаддитивный метод с дифференциальным травлением

Применение: ДПП, ГПП, реже ОПП, наружные и внутренние слои МПП до 7-го класса точности включительно.

Сущность: осаждение на нефольгированном диэлектрике минимального слоя меди (~3 мкм) с последующим селективным усилением (30 мкм) и дифференциальным (без металлорезиста) травлением.

Достоинства: минимальная величина подтравов (до 2 мкм), высокая разрешающая способность.

Недостатки: процесс трудоемкий, сложность управления процессом дифференциального травления.

1.4. Основные этапы изготовления ПП и методы их реализации 1.4.1. Входной контроль

Соответствие физико-механических свойств и других качественных характеристик конструкционных материалов, используемых при изготовлении ПП, требованиям технических условий устанавливается входным контролем предприятия по стандартным методикам. Одновременно контролируются технологические свойства материалов.

Рассмотрим методы испытаний некоторых физико-механических и технологических свойств фольгированных диэлектриков.

Деформацию листовых фольгированных материалов, т.е. отклонение их от плоской формы, принято характеризовать стрелой прогиба. Для ее определения к вогнутой поверхности листа в направлении наибольшей кривизны прикладывают легкую линейку, затем измеряют максимальный зазор между поверхностью материала и линейкой. Предпочтительная длина линейки – 1 м, а ее масса не должна влиять на результат измерения. При измерении коробления испытуемый лист кладется на горизонтальную поверхность вогнутой стороной вниз так, чтобы три угла нижней стороны листа касались горизонтальной поверхности. Коробление характеризуется расстоянием по вертикали между горизонтальной поверхностью и четвертым углом листа.

Водопоглащение определяют на образцах материала с удаленной фольгой. Образцы кондиционируют (хранение в нормальных атмосферных условиях в течение 24 ч), взвешивают, погружают в дистиллированную воду с температурой 25±1 °С на 24 ч. После извлечения образцов из воды их насухо вытирают фильтровальной бумагой и по истечении 1 ч снова взвешивают. Водопоглощение X, %, определяют по формуле X = (g1–g0)/g0, где g0 – масса образца в исходном состоянии, г; g1 – масса образца после пребывания в воде, г. Точно также определяют поглощение растворителей.

Прочность сцепления фольги с диэлектриком характеризуют усилием отрыва полоски фольги от основания методом отслаивания с постоянной скоростью. Принято использовать полоску фольги шириной 0,79 мм для испытаний на химическую стойкость и 3,18 мм для других испытаний. Прочность сцепления выражается минимальным или средним значением усилия, отнесенным к 1 см ширины (Н/см), путем деления показания измерительного индикатора на ширину отрываемой полоски.

Испытание на пробивку отверстий проводится на тестовой плате в нормальных климатических условиях или при нагреве 40-60 °С. Пуансоном размером 55 мм последовательно пробивают несколько серий отверстий. При переходе от одной серии к другой

9

уменьшают перемычку между отверстиями (3,5; 3,0; 2,5; 2,0; 1,5; 1,0; 0,5 мм) и визуально определяют, при каком значении перемычки появляются трещины. Штампуемость k = a/b, где а - самая узкая неповрежденная ширина перемычки, b - толщина материала.

1.4.2. Получение заготовок печатных плат

Размеры заготовок определяются требованиями чертежа и наличием по всему периметру технологического поля шириной ≤10 мм для ОПП и ДПП и ≤(20–30) мм для МПП. На технологическом поле располагаются фиксирующие (базовые) отверстия для базирования ПП в процессе изготовления, технологические отверстия для механического закрепления заготовок на подвесах, например, при гальваническом и химическом меднении, и тестовые элементы, располагаемые в так называемом тест-купоне (рис. 1). Тест-купон – часть заготовки ПП, прошедшая с ней все технологические операции, отделяемая перед испытаниями и содержащая набор тестовых элементов для оценки качества изготовления ПП. На рис. 2 приведен один из тестовых элементов, состоящий из ряда параллельных линий, который позволяет контролировать процесс травления и определять разрешающую способность рисунка ПП.

Заготовки ПП получают из листа фольгированного или нефольгированного материала. Проводят раскрой листа на полосы и каждой полосы на отдельные заготовки. Малогабаритные платы размером до 100 мм по сторонам размещают на групповой заготовке площадью не менее 0,05 м2 с расстоянием 5–10 мм между ними. Выбор метода получения заготовок определяется типом производства (рис. 3).

Рис. 3 – Способы резки листа на полосы: а – штамповкой; б – на роликовых ножницах; в – на гильотинных ножницах; г - дисковыми фрезами

10