§ 2.2. Конструкции межконтактных электрических соединений на основе печатного монтажа

Печатный монтаж широко используется в конструкции РЭС. Он выполняется в виде печатных плат или гибких печатных кабелей (шлейфов). В качестве оснований для печатных плат используется диэлектрик или покрытый диэлектриком металл, а для гибких печатных кабелей — диэлектрик. Для выполнения печатных проводников диэлектрик часто покрыт медной фольгой толщиной 35...50 мкм либо медной или никелевой фольгой толщиной 5...10 мкм. Марки некоторых отечественных диэлектриков приведены в табл. 2.1, а основные физические параметры материалов для оснований печатных плат из диэлектриков — в табл. 2.2. По числу слоев печатные платы делятся на односто­ронние (ОПП), двусторонние (ДПП), многослойные (МПП); используются также двусторонние печатные платы с дополни­тельным монтажом из объемного изолированного провода (ДППдм).

Таблица 2.1 Фольгированные и нефольгированные материалы, используемые при печатном монтаже

Марка материала	Материал	Толщина материала, мм	Толщина фольги, мкм
НФД-180-1	Диэлектрик низкочастотный фольгированный	0,8…3	50
СФ-1, СФ-2	Стеклотекстолит фольгированный	0,25…2	35 и 50
ФДТ-1, ФДТ-2	Диэлектрик фольгированный тонкий	0,5	50
ФДМ-1, ФДМ-2	Диэлектрик фольгированный для многослойного печатного монтажа	0,2; 0,25	35
ФДМЭ-1	Диэлектрик фольгированный для микроэлектроники	0,1	35
ОТСФ-1, ОТСФ-2	Стеклотекстолит фольгированный особотонкий	0,15; 0,20	50
ФДМТ-1, ФДМТ-2	Фольгированный травящийся диэлектрик для многослойного печатного монтажа	0,1	35
ФТС-1, ФТС-2	Стеклотекстолит фольгированный травящийся	0,08; 0,15; 0,5	20…35
СТФ-1, СТФ-2	Стеклотекстолит теплостойкийфольгированный	0,13; 0,15; 0,20 0,25; 1,0	35
СПТ-3	Стеклоткань прокладочная травящаяся	0,025	-
Э	Стеклоткань, пропитанная лаком	0,06…0,12	-

Печатный монтаж выполняется субтрактивными методами, основанными на травлении фольгированного диэлектрика, адди­тивными и полуаддитивными, основанными на селективном осаждении проводящего покрытия, и методами послойного наращивания.

Субтрактивные методы. Из субтрактивных методов наибольшее применение нашли химический негативный (рис. 2.2.) и комбинированный позитивный (рис. 2.3.). Первый используется для получения односторонних печатных плат, внутренних слоев МПП и гибких печатных шлейфов. Его преимуществом является высокая точность геометрии проводников из-за отсутствия процессов гальванического осаждения меди. Вторым методом получают ДПП и МПП из фольгированного травящего диэлектрика. Способность диэлектрика к протравливанию особенно важна для МПП, где от этого зависит надежность межслойных соединений. ДПП выполняются без использования травящего диэлектрика. Печатные платы характеризуются плотностью монтажа, которая в зависимости от ширины проводников и зазоров может быть (табл. 2.3.) трех классов. Недостатками субтрактивных методов являются невозможность получения проводников с шириной менее 150 мкм (табл. 2.3.) и большой отход меди при травлении.

Аддитивный и полуаддитивный методы (табл. 2.4. и 2.5.) и методы послойного наращивания позволяют увеличить плотность монтажа по сравнению с плотностью монтажа МПП, полученных субтрактивными методами. Метод послойного наращивания был разработан для фольгированного стеклотекстолита, но не нашел ши­рокого применения из-за высокого процента брака и длительности цикла изготовления. Развитием этого метода явилось выполнение многослойных структур с использованием керамики и сквозного аноди­рования алюминия. Аддитивный и полуаддитивный методы позволя­ют получить более узкие проводники и зазоры между ними благо­даря использованию более тонких проводящих слоев (5...20 мкм), а также сэкономить медь, осаждаемую только в местах размещения проводящих трасс. Кроме того, при браковке платы рисунокможет быть стравлен и нанесен вновь. Самое сложное здесь — получение хорошей адгезии проводников к основанию платы.

Рис. 2.2. Последовательность основных операций изготовления печатных плат химическим негативным методом: а — заготовка из фольгированного диэлектрика; 6 —нанесение фоторезистивного печатного рисунка; в — травление печатного рисунка; г — удаление фоторезиста; д — механическая обработка монтажных отверстий; е — нанесение лаковой (эпоксидной) маски; ж — облуживание контактных площадок; з—пайка выводов ЭРЭ

Некоторые методы печатного монтажа — метод открытых контактных площадок (рис. 2.4), выступающих выводов (рис. 2.5), послойного наращивания фольгированного диэлектрика (рис. 2.6), попарного прессования (рис. 2.7) — в новых разработках не

Таблица 2.2 Основные характеристики материалов для печатных плат

Параметр	Гетинакс	Текстолит на капроновой основе	Стеклотекстолит на эпоксидной основе	Полиимид	Керамика 22ХС
Плотность без фольги, кг/м3	1300...1400	1300... 1500	1600...1900	1400	3600
Относительная диэлектрическая проницаемость	4,5...6	4,5...6	5...6	3,5...4	10,3
Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте f=106Гц	0,008...0,02	0,03...0,04	0,005...0,02	0,002...0,05	(5.;.6)-10~4
Объемное удельное сопротивление, Ом • см	1012...1014	1012...1014	1014...1015	1016...1017	1014...1015
Интервал рабочих температур, °С	-60...+ 80	-60... + 70	-60...+ 100	-260...+ 250	-260...+ 400
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К)	0,25...0,3	0,23...0,34	0,34...0,74	0,3	10...20

Таблица 2.3 Параметры элементов печатных плат, выполненных субтрактивными методами

Параметр	Класс плотности печатного монтажа
	1	2	3
Ширина проводника, мм Расстояние между проводниками, контактными площадками, проводником и контактной площадкой, проводником и металлизированным отверстием, мм. Отношение диаметра металлизированного от­верстия к толщине платы Ширина пояска контактной площадки, мм	0,5 0,5 0,4 0,05	0,25 0,25 0,33 0,035	0,15 0,15 0,33 0,025

Рис. 2.3. Последовательность основных операций изготовления печатных плат комбинированным позитивным методом: а — заготовка из фольгированного диэлектрика; б — нанесение фоторезистивного печатного рисунка; в — нанесение лаковой рубашки; г — сверление монтажных и переходных отверстий; д — химическое меднение; е — удаление лаковой рубашки; ж — гальваническое меднение; з —нанесение защитного покрытия; и — удаление фоторезиста; к — травление печатного рисунка; л — пайка выводов ЭРЭ и лакировка платы

Таблица 2.4 Последовательность основных операций при изготовлении печатных плат полуадди­тивным и аддитивным методом

Полуаддитивный метод	Аддитивный метод
Подготовка поверхности для обеспечения адгезии (травление поверхности) Формирование отверстий Активация поверхности 4. Химическое тонкослойное меднение толщиной около 5 мкм Формирование рисунка проводников Наращивание меди гальваническим способом Стравливание химической меди в местах, где нет проводников Нанесение защитного покрытия Окончательная обработка	Подготовка поверхности для обеспечения адгезии (покрытие слоем адгезива толщиной 50 мкм) Формирование отверстий Нанесение рисунка проводников с помощью каталитических частиц активатора (PdCl2, SnCl2) Химическое меднение Нанесение защитного покрытия Окончательная обработка

Таблица 2.5 Параметры элементов многослойных печатных плат, выполненных различными методами

Метод	Минимальнаяширина проводника, мм	Максимальные размеры платы, мм	Максимальное погонное сопротивлениепроводников, Ом/см	Погонная паразитная емкость, пФ/см
Субтрактивный: фольга толщиной 35...50мкм фольга толщиной 5...9 мкм Полуаддитивный Аддитивный Толстопленочный «Сквозное» анодирование алюминия МПП на основе полиимидной пленки	0,5...1,0 0,25...0,5 0,125...0,25 0,125...0,25 0,15...0,25 0,05...ОД 0,03...0,05	250 х 250 (500 х 500) 250 х 250 250x250 (600 х 700) 250 х 250 100x120 250 х 250 (500 х 500) 60x48 (100 х100)	0,001 0,01 0,005 0,005 0,3...2,0 1,0...2,0 1,0	0,5...0,8 0,3...0,5 0,5...0,7 0,5...0,7 0,9...2,0 до 10,0 1,0.-2,0

Метод открытых контактных площадок приме­ним только для корпусированной элементной базы и имеет ряд технологических трудностей при сборке. Метод выступающих выводов сложен и часто не обеспечивает минимизации помех. Метод металлизации сквозных отверстий (рис. 2.8, рис. 2.9) при­меняется в основном для наземной аппаратуры, где перепады температуры сравнительно невелики и мала вероятность разру­шения межслойных металлизированных переходов из-з разницы расширения диэлектрика и меди.

Рис. 2.4. Структура МПП, изготовленной методом открытых контактных пло­щадок: 1 — пайка в «колодец» штыревого вывода; 2—печатный проводник внутреннего слоя; 3—монтажная площадка; 4—печатный проводник внешнего слоя; 5—соединение монтажных площадок в одном слое; 6 — пайка в «колодец» планарного вывода

Рис. 2.5. Структура МПП, изготовленной методом выступающих выводов: I переход печатного проводника в монтажную площадку; 2—крепящая колодка; 3—радиоэлемент с планарными выводами; 4 — пайка выводов ЭРЭ; 5—печатный проводник внутреннего слоя; 6 — окно платы

Аддитивный и полуаддитивный методы. Примером полуадди­тивной технологии является технологический процесс изготовле­ния МПП на основе полиимидной пленки. Полиимиды относятся к классу термостойких (от -200 до +400° С) высокомолекуляр­ных соединений. Полиимидная пленка имеет малые усадку (до 0,08...0,1%), разнотолщинность (до +3 мкм), плотность инород­ных включений (0,1...0,2 см"²). В промышленности используются отечественные пленки марок ПМ, ПИ-40 или зарубежная пленка фирмы «Dupont» марки «Kapton 200H». В процессе изготовления проводят травление отверстий в пленке, металлизацию ее методом напыления трехслойной структуры Сг — Си — Сг толщиной 1...2мкм, травление рисунка проводников, селективное гальвани­ческое наращивание слоя меди толщиной до 20 мкм, защиту сплавом олово — висмут.

Из полученных таким образом пленок с двусторонней комму­тацией можно создавать многослойные структуры путем спаива­ния слоев в вакууме (рис. 2.10). Размеры таких оснований (по зарубежным источникам) могут достигать 406x355 мм и ограни­чиваются оборудованием для напыления проводящего слоя. Расчетами установлено, что использование оснований на много­слойных полиимидных пленках (МПП ПИ) позволяет получить (при установке на них бескорпусных ИС) плотность компоновки узла не меньшую, чем на кремниевой пластине, но при луч­ших экономических показателях, так как применение узлов, выполненных полностью на кремниевых пластинах, выгодно в том случае, когда процент выхода годных составляет более 80% для кристаллов размером 5 х 5 мм и более 90...95 % для кристаллов размером 7x7 мм. Известны МПП ПИ с числом слоев до 30.

Рис. 2.6. Структура МПП послойного наращивания:

1—печатный проводник внутреннего слоя; 2—ЭРЭ с планарными выводами; 3—клеящая мастика; 4—защитное покрытие наружного слоя; 5—монтажная контактная площадка; 6—межслойный переход («столбик» меди)

Рис. 2.7. Структура МПП попарного прессования:

/—переходное отверстие между внутренними и наружными слоями, заполненное связующим межслойной изоляции; 2—монтажное отверстие; 3—защитное покрытие; 4—переходное отверстие между наружными слоями; 5 — печатный проводник наружного слоя; 6—печатный проводник внутреннего слоя; 7—межслойная изоляция

Рис. 2.8. Структура МПП, изготовленной методом металлизации сквозных от­верстий: 1—контактная площадка наружного слоя; 2—защитное покрытие; 3—металлизация сквозного отверстия; 4—контактная площадка внутреннего слоя; 5, 6—проводники; 7—припой

Рис. 2.9. Варианты схем промежуточных соединений МПП:

а—два уровня соединений; б—три уровня соединений; 1, 2, 3—последовательность изготовления соединений

Рис. 2.10. Последовательность основных операций изготовления МПП на полиимид­нои пленке:

а—пленка с протравленными отверстиями; б— пленка с нанесенным подслоем Сг—Си—Сг; в — нанесение защитного слоя фоторезиста; г—нара­щивание слоя меди 15...20 мкм и защитного слоя Sn—Bi; д — стравливание подслоя Сг—Си—Сг; е—структура из спаянных слоев; 1 — внешние выводы бескорпусной ИС; 2—кристалл бескор­пусной ИС; 3 — вакуумный спай через металли­зированные отверстия; 4 — клей (для крепления кристалла ИС к плате и платы к основанию); 5 — двусторонние полиамидные платы; 6 — алю­миниевое основание

135

На основе структур МПП ПИ изготовляют одно- и двусто­ронние, а также многослойные гибкие печатные шлейфы. Кроме полиимида в качестве основы для таких шлейфов используют лавсан и фторопласт, однако шлейфы из полиимида лучше работают на изгиб (выдерживают до 10000 перегибов с радиусом 0,5... 1,0 мм). Параметры некоторых шлейфов приведены в табл. 2.6. Длина шлейфов ограничена активным сопротивлением проводящих линий.

Керамические платы. Одним из перспективных методов уве­личения плотности компоновки является использование в качестве основания керамики, на которую методом трафаретной печати наносят проводники (из проводящих паст) и резисторы (из резистивных паст). В процессе обжига подобной структуры при температуре около 600...700° С происходит, вжигание проводников и резисторов в основание, предварительно обожженное при температуре около 1600° С. В результате получают прочную, герметичную, химически инертную, что затрудняет повторяемость геометрических размеров подложек и волнового сопротивления линий связи.

Таблица 2.6 Параметры гибких печатных' шлейфов

Параметр	Полиимидные шлейфы с защитой		Лавсановые шлейфы с поли-этилентетрафта-латной защитой
	односторонние (субтрактивный метод)	двусторонние
Минимальная ширина провод­ников и зазаров, мкм Диаметр переходных отверстий, мкм Толщина проводников, мкм Толщина диэлектрического по­крытия, мкм Температурный диапазон рабо­ты, °С Прочность сцепления металли­ческого слоя с диэлектрическим основанием, МПа Минимальный шаг балочных выводов, мм Относительная стоимость	200...400 - 75...50 40... 50 -60...+ 220 2,5...5 1,25 1,5	30...50 50...70 15...20 40...50 -196...+ 300 10...15 0,5 2...3	200...400 - 35...50 20 40.+ 150 2...2,7 2,5 1,0

Р

1

ис. 2.11. Сечение керамической МПП, полученной методом по­слойного наращивания и спека­ния (а) и групповым методом (б)

Кроме того, большая диэлектрическаяпроницаемость керамики (е = 8,5...9,5) обусловливает значительную паразитную связь между проводни­ками, расположенными в разных слоях, что особенно нежела­тельно для быстродействующих схем. Структура керамической МПП представлена на рис. 2.11.

Платы на металлическом основании. В тех случаях, когда требуются хороший теплоотвод (источники питания), низкаястоимость и высокая прочность (микрокалькуляторы), хорошее согласование по ТКЛР платы и устанавливаемых на нее элементов (бортовая аппаратура) или требуются подложки сложной формы, в качестве основания платы можно использовать подложки из металла -или сплава, покрытые диэлектриком.

Таблица 2.7 Температурные коэффициенты линейного расширения материалов, используемых в

Материал	ТКЛР, КГ6 К"	Материал	ТКЛР, КГ6 К"
Стеклотекстолит Стекло, ситалл Керамика Полиимидная пленка Алюминий: анодированный с эпоксидной смолой Сталь: низкоуглеродистая с эпоксидной смолой Железоникелевые сплавы инвар 36Н сплав 35НКТ	8…9 5...12 3...6 22...26 16...18 24 10...16 12 1,5 4	ковар 29НК с диэлектрическим покрытием Титан: ВТ1-О покрытый анодным слоем Германий Медь Кремний Феррит 10С46 Поликор Сплав МД15НП	4,5…6,5 16 8…8,8 20 6,1…6,6 16,4…17,3 3,2…4,2 9,05 6,9 6,2

Подложки из алюминиевых сплавов анодируются, стальные подложки покры­ваются слоем эмали (фарфора) толщиной 0,1 мм. Для обеспечения работы в широком диапазоне температур необходимо, чтобы ТКЛР навесных элементов (ЭРЭ, ИС) и платы различался не более чем на 0,5-10~⁶ "С""¹ (табл. 2.7).

Таблица 2.8 Плотность компоновки для МПП и ИС различных типов

Плотность компоновки, ИС16/см2	0,3 ... 0,4	0,5...0,7	1,25	1,25	1,25	2,4 ... 4	2,4 ... 4
Конструк- ция платы	Стеклотекстолитовая МПП с линиями шириной 250... 500 мкм, ДПП с узкими линиями (150 . 250 мкм)			Кера-мичес-кая	Поли-имид-ная	Кера-мичес-кая	По ли-имидная
Конструкция ИС	С двух-рядным расположе-нием шты-ревых выводов	С пла-нарны-ми вы-водами	Мик-рокор­пус	Мик-рокор­пус	Мик-рокор­пус	Бес-корпус­ная	Бес-корпус­ная

Таблица 2.9 Сравнительные параметры различных способов монтажа в зависимости от типа корпуса ИС и типа печатной платы

Параметр	Варианты монтажа
	корпуса с двухряд­ным расположе­нием выводов, пе­чатная плата на стеклотекстолите	керамические микрокорпуса, керами­ческая плата	Бескорпусные кристаллы с проволочными выводами, |плата на поли-имидной плен­ке	кристаллы на полиимидном носителе, плата на поли-имидной плен­ке
Площадь посадоч­ного места, мм2: 16-выводная ИС* 64-выводная ИС Максимально воз­можное число выво­дов ячейки Мощность, рассеи­ваемая одной ячей­кой 78 х 95 мм, Вт	174(20,5*8) 1712(81,5*2 60...80 3,3	81(9*9) 41(21*21) 100...200 3,3	34(3,5*6) 90(9,5*9) свыше300 8	34(3,5*6,4) 90(9,5*9,5) свыше300 10…12

Если ТКЛР отличается на большее значение, то навесные элементы монтируются с помощью гибких выводов или монтажное основание выполняется достаточно эластичным (например, из полиимидной пленки). Если навесные элементы кремниевые, то можно использовать подложки из инвара. Характеристики различных методов ре­ализации электрических связей приведены в табл. 2.8 и 2.9.