2. Технология печатных плат

Технология односторонних, двусторонних ПП и многослойных печатных плат (МПП) достаточно подробно описана в учебнике /1/ и методических указаниях /2/. В данном разделе рассматриваются вопросы технологии ПП, совместимых по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) с материалами корпусов КПМ.

ТКЛР плат, изготавливаемых из хорошо известных материалов /1/ находятся в пределах (14-18) _* 10^-6 1/ С, а ТКЛР керамических корпусов микросхем (МС) составляет (5-7) _* 10^-6 1/ С. При таком значении ТКЛР платы и корпуса МС возникают деформации термического происхождения в паяных соединениях, вызывающие их разрушение, если МС смонтирована на ПП с помощью жестких выводов или безвыводных элементов (контактов). Для исключения этого негативного эффекта, а также для решения проблемы отвода тепла от КПМ, рассеивающих значительную мощность, разработано несколько конструкций ПП /3/:

- платы с металлической основой, имеющей низкий ТКЛР;

- платы с эпоксидными и полиамидными слоями, армированными волокнами с малым ТКЛР;

- платы с эластомерными покрытиями.

К ПП с металлической основой относятся конструктивы, выполненные по методам Microwire, Lampac, Pactel и по толстопленочной технологии на металлических основаниях, покрытых фарфоровой эмалью.

При методе Microwire используется изолированная медная проволока диаметром 63 мкм, которая монтируется с шагом 315 мкм путем погружения в адгезированный слой, расположенный сверху пластмассовой подложки с металлическим основанием, ТКЛР которого почти совпадает с ТКЛР керамических корпусов. К недостаткам плат Microwire относятся возможность монтажа КПМ только с одной стороны и сложность изготовления самих плат.

Платы, выполненные по методу Lampac, представляют собой слоистую структуру, состоящую из покрытой диэлектриком стальной платы- основания с расположенной на ней двусторонней стеклоэпоксидной ПП. Эта составная плата имеющая ТКЛР, близкий к ТКЛР керамических безвыводных микрокорпусов, позволяет отделить печатные проводники от металлической основы, которая одновременно выполняет функцию несущей конструкции, заземления и теплоотвода.

По методу Pactel изготавливаются МПП с шириной проводников и расстоянием между ними 75-100 мкм. Многослойная структура напрессовывается на металлическое основание-теплоотвод, в качестве которого может использоваться инвар, планированный медью. Этот материал служит металлической основой в ПП, выполненных по методу толстопленочной технологии. Печатные проводники изолируются от металлического основания слоем эмали. Однако наличие большой диэлектрической постоянной не позволяет использовать такие конструкции ПП в случае высокого быстродействия электрических схем.

Внимание специалистов привлекают МПП с металлическими компенсационными слоями. В таких платах диэлектрические слои чередуются со слоями из металлических материалов с малым ТКЛР.

В качестве компенсационных слоев служат тонкие ленты из инвара или молибдена, плакированные с двух сторон медью.

Плакирование медью необходимо для повышения адгезии металлической ленты к диэлектрику. Компенсационные слои, кроме основной функции-снижения ТКЛР слоистой структуры до ТКЛР керамических корпусов, могут быть использованы как слои питания или заземления; они также способствуют повышению теплопроводимости и жесткости МПП. Каждый компенсационный слой выполняют с перфорациями (окнами), расположенными в местах прохождения металлизированных отверстий.

Наибольшая жесткость ПП достигается при выполнении компенсационных слоев из молибдена. Этот маиериал в отличие от инвара дорогой и трудоемок в обработке, поэтому молибден применяют только в МПП, работающих в услвиях повышенных механических нагрузок.

Металлические компенсационные слои обеспечивают механическую жесткость конструкции в 8-20 раз выше, чем без металлических слоев. Однако МПП с металлическими компенсационными слоями имеют ухудшенные весовые характеристики, их вес значительно выше, чем у МПП без металлических слоев. Этот недостаток не проявляется в МПП, упрочненных различными термостойкими волокнами с отрицательным или малым ТКЛР. К таким армирующим материалам относятся кварц, графит, Kevlar и др.

Пластик на эпоксидной основе с волокнами графита обладает высокой жесткостью и хорошей теплоотводностью. Перспективным является полиимидный пластик, армированный кварцевым волокном, так как он требует меньшей обработки и в нем не возникает растрескивание смолы.

Достоинством материала Kevlar является высокая прочность на растяжение, низкая стоимость и отрицательный ТКЛР. Платы из него в сочетании с полиимидом пригодны для типовых процессов изготовления. Недостаток материала Kevlar –возникновение микротрещин и высокое водопоглощение (1,5-4 %).

Напряжения в паяных соединениях, возникающие при изменении температуры, могут быть уменьшены, путем нанесения на поверхность платы эластичного слоя, воспринимающего деформацию сдвига. Для образования эластичных слоев используют такие материалы как фторопласт, силиконовые и полиуритановые смолы.

В табл. 1 указаны ТКЛР материалов для производства ПП, совместимых с безвыводными керамическими корпусами.

Таблица 1

Материал	ТКЛР*10-6, 1/С
Инвар, плакированный медью Молибден, плакированный медью Волокно Kevlar Кварцевое волокно Эпоксидная смола - стекловолокно Фторопласт - стекловолокно Полиимид - стекловолокно Эпоксидная смола - волокно Kevlar Полиимид - волокно Kevlar Эпоксидная смола – кварцевое волокно Полиамид – кварцевое волокно Эпоксидная смола – графитовое волокно	4,5-5,5 5 от –2 до –4 0,54 14-18 8 15-18 5,3-5,6 3-8 5 6-9 0,5-2

При армировании слоев МПП волокном Kevlar, кварцевыми или графитовыми волокнами ТП остается таким же, как и случае МПП для РМ с монтруемыми в отверстия компонентами. МПП может быть изготовлена по типовой технологии методом металлизации сквозных отверстий. Технология МПП с металлическими компенсационными слоями существенно отличается от типовой.

На рис. 2 приведена схема ТП изготовления МПП с заданным ТКЛР со слоями из инварана основе эпоксидного или полиимидного стеклопластика /4/.

Получение заготовок из фольгированного диэлектрика

Получение заготовок и инваровых слоев

Получение заготовок из плакированного медью инвара

Получение защитного рельефа схемы слоев

Получение защитного рельефа схемы слоев

Получение защитного рельефа схемы слоев

Травление меди

Травление инвара

Травление меди и инвара

А

Б

В

Продолжение рис.2

А

Б

В

Удаление защитного рельефа

Удаление защитного рельефа

Удаление защитного рельефа

Подготовка диэлектрических слоев

Электролитическое нанесение меди (плакирование)

Подготовка инваровых слоев

Пакетирование диэлектрических и инваровых слоев

Прессование

Сверление отверстий, подлежащих металлизации

Получение защитного рельефа схемы

Химическое и электролитическое меднение, удаление защитного рельефа схемы

Г

Продолжение рис.2

Рис. 2. Схема технологического процесса изготовления МПП с компенсационными слоями

Травление плакированного и неплакированного инвара производиттся в растворе хлорного железа. Оптимальные результаты получаются при растворе с концентрацией хлорного железа 300-400 г/л и температурой 40-45 С. Для слоя инвара толщиной 100 мкм величина бокового подтравливания в таких условиях составляет 30-40 мкм. Величина бокового подтравливания в инваровом слое сильно зависит от концентрации окислителей (ионов Fe³⁺) и температуры раствора. С увеличением значений этих параметров растет величина бокового подтравливания.

Для меднения инваровых слоев могут быть применены сернокислые электролиты с соотношением серной кислоты и меди 10:1.

При прессовании слоев должно быть обеспечено полное заполнение смолой окон в инваровом слое. Это достигается в том случае, когда прессованию подвергается не сразу весь набранный пакет МПП, а предварительно инваровые слои со склеивающими прокладками, после чего эта структура прессуется с остальными слоями.

Защитное покрытие, наносимое на плату со стороны печатных проводников, выполняет следующие основные функции:

-предотвращение образования мостиков припоя между проводниками в процессе пайки монтажных элементов компонентов;

- уменьшение расхода припоя ванн облуживания (пайки);

-защита проводников от окисления, пыли, агрессивных сред и влаги;

-обеспечение электрической изоляции проводников.

В отечественной и зарубежной практике широко применяются различные материалы, наносящиеся на поверхность платы методом трафаретной печати. Наилучшими характеристиками обладают эмали конвекционной или инфракрасной (ИК) сушки, такие как ЭП-941Ш, СКАТ-1-Т-2, ЭП-979 и др. /5/ Указанные материалы применяются для получения покрытий (защитных масок) на платах, соответствующих 1-4 классам плотности монтажа. С этой же целью применяют сухие пленочные фоторезисты, например СПФ-3. На платы, изготовленные по 4-5 классам плотности монтажа, наносят покрытия на основе жидких фоторезистов типа «Эповин» и «Фомас-М902». Покрытие из фоторезистов получается в результате выполнения операций экспонирования, проявления и термоотверждения.

Для всех видов ПП, особенно для плат поверхностного монтажа рекомендуется жидкий фоторезист Карапейс, обеспечивающий высокий уровень химической стойкости на меди, покрытии олово-свинец и др. Получаемая из него защитная маска выдерживает воздействие пайки волной припоя без потерии адгезии и нарушения целостности покрытия, а также не менее пяти циклов горячего лужения.

Основными преимуществами фоторезиста являются:

-долгое время жизни в приготовленном виде; после приготовления двухкомпонентная смесь остается годной к применению до одной недели при комнатной температуре;

-высокое содержание твердых веществ (около 76 %) позволяет

получить толщину покрытия не менее 25 мкм при одном слое;

-быстрое экспонирование (время экспонирования 20-30 с при использовании стандартных ламп мощностью 5 кВт);

-простое водощелочное проявление (1%-ный раствор карбоната натрия).