Технология многослойных печатных плат

ПРЕДИСЛОВИЕ

Миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) зави­ сит и от прогресса в производстве печатных плат (ПП), особен­ но многослойных. Применение многослойных печатных плат (МПП) позволяет решить задачу коммутации компонентов РЭА на гибридных и полупроводниковых интегральных микросхемах, повышает плотность печатного монтажа и упрощает оборку РЭА. Наиболее широкое применение МПП нашли при создании ЭВМ, так как в их состав входит большое число однотипных функцио­ нальных схем, легко поддающихся миниатюризации.

Объем аппаратуры на МПП и их производство в отечествен­ ной промышленности и за рубежом неуклонно увеличивается. В системах коммуникации используются МПП, состоящие из че­ тырех слоев, шести — десятислойные — в измерительной и меди­ цинской технике, в производстве ЭВМ 12—18-слойные. Повыше­ ние производительности ЭВМ является одной из основных задач развитиявычислительной техники. Главное конструктивно-техно­ логическое требование, вытекающее из увеличения производитель­ ности ЭВМ, является увеличение плотности монтажа. Уже сейчас из-за вынужденного удлинения межсоединений теряется до 30% потенциального быстродействия. В МПП увеличение плотности монтажа достигается в результате уменьшения ширины провод­ ников и расстояния между ними (т. е. увеличения числа провод­ ников в шаге координатной сетки), уменьшения размеров кон­ тактных площадок, увеличения числа слоев, введения внутренних межслойных переходов. Однако стоимость МПП до настоящего времени в 3 ... 10 раз выше стоимости плат с одно- и двусторон­ ним монтажом. Это объясняется тем, что изготовление МПП — сложный многооперационный процесс, требующий строгого соблю­ дения технологических режимов с применением высококачествен­ ных материалов, специального технологического оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры. Организация производства МПП на базе существующих участков и цехов обычных ПП требует внедрения принципиально новых технологических процес­ сов и специального высокопроизводительного оборудования, так как конструирование и технология изготовления МПП сущест-

з

венно отличаются от конструирования и изготовления одно- и двусторонних ПЛ, хотя и используются те же основные принципы. Значительно возросли требования к производственным помеще­ ниям, промышленной гигиене, технике безопасности и охране окружающей среды, встал вопрос о подготовке и повышении ква­ лификации работников.

В книге приводятся -сведения по технологии -изготовления МПП основным методом — металлизации сквозных отверстий. Кратко описан также метод открытых контактных площадок, который и в настоящее время находит применение. Рассмотрены вопросы 'конструирования МПП, в том числе машинными методами. Учи­ тывая важную роль материалов, в книге приведены основные све­ дения о них. Описаны способы подготовки поверхности некоторых материалов, фотолитографические процессы с использованием сухих пленочных фоторезистов (СПФ). Подробно рассмотрены процессы прессования, химического и гальванического осаждения меди и сплава олово—свинец (ОС), травления меди. Приведен краткий обзор по гибким производственным системам (ГПС) из­ готовления ПП. При подготовке книги авторы стремились отра­ зить результаты некоторых научных исследований, выполненных в последние годы, и опыт работы, накопленный передовыми пред­ приятиями. Использованы материалы, опубликованные в отечест­ венной и зарубежной литературе, некоторе результаты исследо­ ваний, выполненных авторами.

Производство МПП представляет большую и сложную про­ блему, поэтому авторы не претендуют на полноту изложения всех вопросов.

1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Много-слойная печатная плата — коммутационный узел, со­ стоящий из чередующихся слоев токопроводящих и изоляцион­ ных материалов. Все электропроводные слои соединены между собой, образуя систему, соответствующую принципиальной элек­ трической схеме. Наиболее сложно получить надежное электри­ ческое соединение между отдельными слоями МПП. Для склеи­ вания отдельных слоев используются связующие вещества: недополи'меризованные диэлектрики, клеи, лаки, термопластичные пленки т. д. Требования, предъявляемые к аппаратуре, такие как надежность, малые габаритные размеры и масса, обеспечение теплоотводов, оптимальное резервирование, ремонтопригодность, а также экономичность конструкции, определили появление мно­ гочисленных методов изготовления МПП. В настоящее время из­ вестно около двухсот конструктивно-технологических способов по­ лучения МПП. В лабораторных условиях осуществляются 10— 20 методов, а некоторые требования производственного, эконо­ мического и конструктивного характера ограничивают число ме­ тодов, применяемых в промышленности до двух-трех. Наиболее распространенные методы: металлизация сквозных отверстий и открытых контактных площадок.

Отмечается постоянный рост спроса на МПП, особенно для ЭВМ. Так, при ожидаемом среднегодовом приросте объема про­ изводства всех ПП на 21% за период 1987—1992 гг. прирост МПП должен составлять 37%, а для плат с числом слоев более пяти — 45%. В настоящее время изготовители ЭВМ в Японии /выпускают 14- и 18-слойные платы с шагом расположения про­

и создания электрических межслойных соединений, которые ис­ пользуются в технике производства обычных ПП. Однако тре­ бования к размерам и электрическим параметрам МПП часто бывают на порядок выше.

в том, что оператору достаточно сначала приблизительно опре­ делить зону рисунка с наибольшим смещением, а затем измерить это смещение в одной или двух точках, чтобы убедиться в том, что позиционная точность находится в заданных пределах или выходит из назначенного допуска.

Изготовление точной контрольной сетки связано с определен­ ными трудностями. Обеспечение позиционной точности ±0,03 мм на 200X200 мм или 0,05 мм на больших площадях считается предельно достижимым для такого рода средств контроля. На­ пример, современные прецизионные координатографы, позволяю­ щие изготовлять сетку фотоспособом v(прорисовкой световым лу­ чом), имеют реальную позиционную точность в пределах ±0,05 мм на 500X500. Поэтому контрольные сетки используются для про­ верки позиционных отклонений ПП более чем на ±0,15 мм.

Наиболее удобным для контроля позиционной точности яв­ ляется шаблон, отверстия в котором получены на сверлильном станке. На этом станке затем будет сверлиться пакет опрессозанных слоев МПП. Следовательно, неизбежно будут учитывать­ ся все систематические погрешности конкретного сверлильного етанка. Такой шаблон представляет собой непрозрачную пласти­ ну с контрольными отверстиями, центры которых находятся в местах расположения монтажных и переходных отверстий МПП. Принцип контроля позиционной точности по шаблону состоит в совмещении печатного слоя с шаблоном по единым технологиче­ ским базам и контроле наличия или отсутствия просвета между краями контрольного отверстия и контактной площадки слоя. Совмещение внутренних слоев МПП будет обеспечено, если кон­ тактные площадки полностью закроют контрольные отверстия шаблона. Необходимость контроля позиционной точности прояв­ ляется особенно остро в тех случаях, когда используемые для изготовления внутренних слоев тонкие фольгированные материа­ лы проявляют нестабильность деформации после вытравливания меди с пробельных участков рисунка схемы и последующей термообработки. Повышенная деформация отдельных слоев при­ водит к потере позиционной точности, что создает вероятность замыкания или сверления в торец проводника (за пределами контактной площадки). Вследствие этого образуется механически ослабленная связь проводника с металлизацией отверстия.

После склеивания прессованием слоев в монолитный пакет проводят сверление — на стенках отверстий вскрывают торцы контактных площадок внутренних слоев. Соединения их друг с другом и с контактными площадками наружного слоя осущест­ вляется в результате металлизации отверстий. Схема изготовления МПП этим методам приведена на рис. 1.1. Недостаток — необ­ ходимость подтравливания диэлектрика, что вызывает опасность загрязнения изоляционного основания продуктами травления. Од-

вается высокая надежность межслойных соединений и без трав­ ления диэлектрика в отверстиях. Однако, когда схема на внут­ ренних слоях платы выполнена из фольги 35 мкм, а не 70 или 105, желательно производить травление диэлектрика © отверстиях. Несмотря на трудности, связанные с обеспечением хорошего ка­ чества при травлении диэлектриков, в нашей стране и за ру­ бежом применяют эти процессы при изготовлении ПП. Установ­ лено, что необходимо производить гидроабразйвную обработку отверстий до и после подтравливания диэлектрика в отверстиях, затем после второй гидроабразивной обработки — ультразвуко­ вую промывку. В процессе подтравливания диэлектрика исполь­ зуются концентрированные кислоты, поэтому ведется поиск но­ вых методов подготовки отверстий МПП к металлизации. На­ пример, для увеличения контактирующей поверхности рекомен­ дуется также производить гальваническое наращивание меди на торцы медной фольги сквозного отверстия. Для этого необходимо обеспечить замкнутость цепей, расположенных на всех слоях МПП, что часто осуществляют с помощью печатных технологи­ ческих проводников. Они впоследствии разобщаются, разрывает­ ся цепь, например сверлением отверстий в требуемых местах платы. Этот метод является более технологичным по сравнению с подтравливанием диэлектрика, так как устраняется возможность загрязнения платы агрессивными химическими растворами. Одна­ ко на платах с очень высокой плотностью монтажа не всегда можно разместить технологические проводники, которые могут снизить электрические параметры схемы.

1.2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МПП

Повышение точности совмещения слоев в МПП. Постоянно рас­ тущее быстродействие микроэлектронных схем требует высокой плотности компоновки элементов. Необходимое число отверстий в ПП дляосуществления межслойных переходов непрерывно рас­ тет, а шаг их расположения уменьшается. В МПП, ос/военных в настоящее время промышленностью для ЭВМ, число отверстий 6000 при шаге 2,5 мм. Для использования преимуществ больших

торых случаях с шагом 1,25 мм. Для выполнения межслойного перехода требуется некоторая область коммутационной платы, размеры которой определяются геометрией контактной площадки, которая в свою очередь зависит от конструкции, технологии и требований надежности. Увеличение плотности печатного мон­ тажа затрудняется с повышением числа контактных площадок и уменьшением их размеров, связанных с необходимостью совме­ щения* большого числа слоев в МПП и переходных отверстий. Совмещение слоев и точность сверления отверстий должны га­ рантировать отсутствие короткого замыкания и хорошую изоля-