Глава 4 конструкции и методы изготовления печатных плат 1

4.1.Односторонние ПП 1

4.2.Двусторонние ПП 6

24

4.3.Многослойные ПП 39

Электрическая прочность изоляции.Значения допустимого рабочего на­пряжения между элементами проводящего рисунка, расположенными д од- йом слое (уровне) или в соседних слоях (уровнях), выбирают так же, как и для ОПП, ДПП, МПП, ГПП и ГЖП в соответствии ГОСТ 23751—86 из табл. 1.4 и 1.5.

2. Основные этапы ТП изготовления РИТМ-плат

По РИТМ-процессу на базе хорошо отработанной технологии ДПП, яслючив наиболее трудоемкие операции сверления и металлизации сквоз- монтажных и переходных отверстий, применение дорогостоящего тех- югического оборудования, изготавливают РИТМ-платы с шириной про­бников 50 мкм и расстоянием между ними порядка 75 мкм с высокой епенью автоматизации операций изготовления плат и сборки ФУ. Нали- е сквозных отверстий приводит к значительным (до 20 %) потерям по Лпользованию площади ПП.

Главная особенность РИТМ-процесса состоит в использовании металлоёмкой подложки вместо диэлектрика при проведении операций получение защитного рельефа и электрохимического осаждения проводникового «риала. Процесс изготовления РИТМ-плат на медной подложке соЬто- из следующих основных этапов (рис. 4.25).

1. Получение металлической подложки из меди или ее сплавов толщи- равной ширине проводников второго уровня разводки (рис. 4.25, а).

2. Получение рисунка уровней разводки проводников на противопо- жных сторонах подложки (создание защитного рельефа, соответствую- •го негативному рисунку проводников) (рис. 4.25, б):

• двустороннее нанесение фоторезиста;

• экспонирование;

• проявление.

3. Электрохимическое осаждение никеля толщиной 15 мкм из сульфа- гового электролита (селективное осаждение проводников через окна в зрезисте). Осажденный металл проводников (никель) является металлорезистом на операции селективного травления металла подложки на эта-

7 (рис. 4.25, в).

4. Удаление фоторезиста между проводниками (рис. 4.25, г).

д е ж

Рис. 4.25. Основные этапы процесса изготовления РИТМ-плат на медной подложке: а— по­лучение металлической подложки;б— получение рисунка уровней разводки проводников на противоположных сторонах подложки (1 — фоторезист);в— электрохимическое осаждение никеля ( 1 — никель); г — удаление фоторезиста между проводниками (1 — проводник второго уровня;2— проводник первого уровня);д-nrзатравливание металлической подложки ( 1 — проводник второго уровня;2— боковое подтравливание подложки;3— проводник первого уровня разводки);е— наклеивание подложки на основание из стеклотекстолита(1— провод­ник второго уровня разводки;2— проводник первого уровня разводки;3— подложка;4— стеклоткань полимеризованная;5— несущее основание);ж— разделительно-избирательное травление (1 — проводник второго уровня;2—столбик металла для коммутации двух уров­ней;3— проводник первого уровня)

5. Затравливание металлической подложки для увеличения рельефно­сти проводников над подложкой. После удаления фоторезиста и подтравливания подложки проводники рельефно выступают над поверхностью в результате бокового подтравливания подложки (рис. 4.25, д).

6. Наклеивание (напрессовывание) подложки на несущее основание из стеклотекстолита СТЭК толщиной 1,0...1,5 мм (или алюминия марок А5; АД1 толщиной 0,8... 1,5 мм и др.) при помощи склеивающих прокладок из стеклоткани толщиной 0,02...0,03 мм, пропитанных эпоксидным компаун­дом в состоянии частичной полимеризации (рис. 4.25, е). Эта операция не­обходима для формирования диэлектрического слоя со стороны первого уровня разводки и электрической схемы соединения. Применение в каче­стве основания термопластичных материалов, например, фторопласта и др. позволяет исключить использование склеивающих прокладок.

7. Разделительно-избирательное травление, основанное на эффекте бо­кового подтравливания металлической подложки на всю толщину для об­разования промежутков между пересекающимися проводниками разных уровней разводки (рис. 4.25, ж),удаляется металл со всей подложки, за ис­ключением мест перехода с одного уровня разводки на другой, где он оста­ется в виде столбиков, поддерживающих второй уровень проводников, ко­торые выполняют роль металлизированных отверстий в обычной ПП. ДЛЯ удаления металла используют селективный травитель — на основе хромо­вого ангидрида и серной кислоты.

8. Осаждение электрохимического припойного покрытия.

9. Заливка твердым или эластичным компаундом, включая воздушные промежутки для повышения вибро- и удароустойчивости.

Унифицированным топологическим элементом второго уровня являем­ся кроссовер (линейный или сетчатый проводник), который отделяется за»'

зором от проходящих под ним проводников ничего уровня разводки, е Кроссовер опирается на связывающие его с нижним уровнем переходы в |виде столбиков металла подложки, полученные после избирательного травления (рис. 4.26).

Максимальная величина пролета линейного кроссовера от опоры до опоры не должна превышать 10 мм; минимальный размер Перехода или элбикового вывода составляет 0,4 х 0,4 мм².

Контактные площадки первого уровня разводки можно использовать микросварки гибких проволочных выводов бескорпусной элементной |6азы. Контактные площадки второго уровня разводки, имеющие под собой ie опоры в виде столбиков металла, используют для установки на астообразный припой и групповой пайки ПМК.

Достоинства РИТМ-плат:

• совместимость с ПМК, бескорпусной и традиционной элементной базой, ориентированной на автоматизированную сборку;

не требуют применения дефицитных материалов; высокие коммутационные возможности на единицу площади;

• низкая стоимость по сравнению с МПП;

• возможность использования типового ТП изготовления ДПП и соот­ветствующего оборудования;

• отсутствие операций сверления и металлизации сквозных отверстий;

• улучшенные надежностные, массогабаритные, электрические пара­метры;

• согласованность с элементной базой по ТКЛР;

• высокое сопротивление изоляции между соседними и пересекающи­мися проводниками по сравнению с обычными ПП;

• возможность выполнения ряда операций по принципу рулонной тех­нологии;

» универсальность технологии, которая позволяет перевести на единую конструктивно-технологическую базу коммутационные платы и мик­росборки и др.

3. Многослойные ПП

Многослойная ПП состоит из нескольких сигнальных слоев, разделен­ных изоляционными прокладками и, при необходимости, экранирующими слоями.

Многослойная ПП — коммутационный узел, состоящий из чередую­щихся проводниковых и изоляционных слоев, в котором проводниковые слои соединены между собой при помощи металлизированных отвер­стий в соответствии с электрической принципиальной схемой. Изоляци­онные слои пропитаны полимерной смолой в недополимеризованном состоянии (в стадии В), полимеризация которой и склеивание слоев происходит при воздействии определенной температуры на операции

8 7 6 5 4

1

Рис. 4.27. Структура МПП: / — сигнальный слой с печатными проводниками; 2— изоляци­онный слой;3— переходное металлизированное отверстие (межслойный переход);4— рису-, нок наружных слоев;5— контактная площадка внутреннего слоя;6— контактная площадка наружного слоя; 7 — сквозное металлизированное отверстие;8— рисунок внутреннего слоя

прессования

Структура МПП представлена на рис. 4.27.

Многослойные ПП характеризуются высокой трассировочной способ­ностью. Их применяют:

• для размещения ЭРИ с высокой функциональной сложностью: мик­росборок, БИС, СБИС и пр.;

в ЭА с минимальными габаритами и массой;

• в ЭА, в которой должна быть обеспечена электрическая стабильность по всему тракту прохождения сигнала;

• в ЭА, в которой требуется экранирование значительного количества электрических цепей и пр.

Экранные слои в МПП могут выполнять различные функции, поэтому их можно использовать в качестве:

• слоев «земли»;

• сйоев «земли» и «питания»;

• слоя для электромагнитной защиты электрических цепей;

• слоев в полосковых ПП, в которых строгое чередование логических и экранных слоев и точное соблюдение размеров проводников и рас-

стояний между слоями обеспечивают заданное волновое сопротивле­ние линии связи; эти платы применяются в ЭА с высоким быстро­действием. *■

Экранные слои могут быть сплошными или сетчатыми с освобожде­ниями для специальных контактных площадок с тепловым барьером, ис­ключающим нежелательный отвод теплоты от металлизированного отвер­стия в МПП во время пайки ЭРИ. Они представляют собой обычные кон­тактные площадки, от которых отходит несколько узких проводников, подключенных к широкому проводнику или экрану (рис. 4.28).

Рис. 4.28. Примеры выполнения контактных площадок в экранном слое

Преимущества МПП:

• высокая плотность монтажа, что уменьшает габариты и массу аппа­ратуры, требует уменьшения ширины проводников, расстояний меж­ду ними, размеров контактных площадок, увеличивает число слоев и внутренних межслойных переходов, уменьшает длину электрических связей и в результате повышает быстродействие ЭА;

• устойчивость к внешним воздействиям;

• стабильность электрических сигналов, в частности, за счет сокраще­ния количества контактов разъемов и др.

• наличие экранирующих слоев между любыми внутренними слоями или на наружных слоях, которые позволяют экранировать схему от внешних и внутренних воздействий, которые также можно использо­вать в качестве эффективных теплоотводов и создания специальных структур.

Недостатки МПП:

• высокая стоимость;

• значительная трудоемкость изготовления и проектирования МПП;

• более высокий по сравнению с ДПП процент брака;

• возможность нарушения электрических связей в местах контакта торцев контактных площадок внутренних слоев и столбика меди в отверстиях в процессе эксплуатации;

• высокие требования к точности изготовления элементов печатного рисунка;

• значительная разница TKJIPмеди, диэлектрика и смолы и пр.

Основными задачами при разработке МПП для коммутации наносе- кундных логических элементов является создание:

1. печатных межсоединений с контролируемым импедансом (волновым сопротивлением), обладающих свойством однородных длинных ли­ний, которые должны уменьшить отражения, искажающие переда-

• ваемые сигналы; ,

2. печатных межсоединений с контролируемыми перекрестными навод­ками между соседними сигнальными проводниками, зависящие от расстояния между ними в одном или соседних слоях, длины парал­лельно идущих печатных проводников, свойств диэлектрика и пр.

а б

Рис. 4.29. Поперечное сечение печатных проводников в МПП: а —полосковая линия;б— микрополосковая линия

Эти задачи могут быть решены путем применения в качестве печатных межсоединений

микрополосковых или полосковых линий, образующих сигнальные цепи с достоянным характеристическим (волновым) сопротив­лением и контролируемыми перекрестными наводками.

Для получения в МПП линий с заданным волновым сопротивлением конструкция МПП должна быть такой, чтобы между слоями с сигнальны­ми проводниками располагались экранные слои земли или питания в виде сплошных слоев металла или сетки проводников.

Под полосковой линией понимают печатный проводник, размещенный параллельно двум земляным слоям (рис. 4.29, а),а под микрополосковой — печатный проводник, имеющий земляной слой только с одной сто­роны (рис. 4.29,б).

Конструкцию МПП выбирают в зависимости:

• от плотности сигнальных проводников;

• от допуска на волновое сопротивление;

• от перекрестных помех и пр.

Волновое сопротивление линий зависит:

• от ширины проводника;

• от расстояния сигнальных проводников до ближайших экранных слоев земли или питания;

• от диэлектрической проницаемости материала диэлектрика и окру­жающей среды;

• от толщины диэлектрика, которая подбирается числом склеивающих прокладок с учетом также требований к электрической прочности и межслоевой емкости;

• от взаимного расположения проводников и пр.

Разброс волнового сопротивления определяется:

• разбросом геометрических размеров проводника;

• разбросом толщины диэлектрика;

• смещением проводников в различных слоях относительно друг друга,

вызванным:

1. изменением геометрических размеров проводников после втрав­

ливания меди с пробельных мест при получении рисунка провод­ников;

2. погрешностями совмещения слоев при прессовании слоев в мо­нолит;

3. погрешностями фотошаблона при его изготовлении, эксплуата­ции (возможно изменение линейных размеров фотошаблона под действием окружающей среды), совмещении фотошаблонов слоев МПП.

Многослойные ПП, как и ДПП, делят на платы общего применения и прецизионные, изготавливаемые на фольгированном и нефольгированном диэлектрике.

1. МПП общего применения на фольгированном диэлектрике

Методы изготовления МПП общего применения на фольгированном диэлектрике представлены а рис.4.30.

Основные характеристики МПП общего применения на фольгирован- 'м диэлектрике приведены в табл. 4.23.

1. Метод металлизации сквозных отверстий

Метод металлизации сквозных отверстий (МСО) применяется для из­готовления жестких, гибких и гибко-жестких МПП.

Технологический процесс изготовления МПП методом МСО включает:

• изготовление отдельных односторонних или двусторонних слоев с рисунком и металлизированными отверстиями (или без отвер­стий);

• сборку и прессование пакета, состоящего из отдельных слоев, склеи­вающих прокладок между ними, экранов (при необходимости);

• сверление сквозных отверстий в спрессованном пакете;

• получение рисунка наружных слоев и металлизацию сквозных от­верстий.

Электрическая связь между слоями осуществляется при помощи пере­ходных отверсти

Рис. 4.31. Сечение отверстия МПП: а— с подтравленным диэлектриком до металлизации ( / — подтравленные препреги;2— подтравленный диэлектрик Внутренних слоев МПП;3— выступающие контактные площадки внутренних слоев);б— с подтравленным диэлектриком после металлизации (/ — слой МПП;2— проводник внутреннего слоя;3— контактные пло­щадки внутренних слоев МПП;4— слой химико-гальванической меди;5— слой металлоре­зиста;6— проводник внешнего слоя; 7 — препрег)

й между внутренними слоями и сквозных отверстий между наружными слоями, металлизированные стенки которых соединены с эле- ментаЛ печатного рисунка внутренних слоев (см. рис. 4.27).

Метод МСО является базовым ТП изготовления МПП, этапы выпол­нения которого приведены в табл. 4.24 (в пп. с 1-го по 12-й — последова­тельность изготовления слоев МПП).

Одним из узких мест МПП, изготовленных ММСО, является плохой контакт торцев контактных площадок внутренних слоев с металлизирован­ным отверстием, что объясняется малой площадью контакта и наличием пленки эпоксидной смолы, наволакиваемой на стенки отверстий при свер­лении. Для увеличения площади контакта.и очистки отверстий перед ме­таллизацией проводят операцию подтравливания диэлектрика в отверстиях (см. табл. 4.24, п. 14). Наиболее часто применяют последовательную обра­ботку в серной и плавиковой кислотах или в их смеси. В результате этой обработки контактные площадки внутренних слоев частично обнажаются и выступают в отверстиях (рис. 4.31, о). После выполнения операций хими­ческого, гальванического меднения и нанесения металлорезиста значитель­но увеличивается площадь контакта контактных площадок внутренних сло­ев с металлизированным отверстием (рис. 4.31, б).

При изготовлении внутренних слоев МПП методом МСО применяют:

• комбинированный позитивный метод — для двусторонних слоев с переходными отверстиями (см. табл. 4.7);

• химический негативный метод — для слоев без отверстий (см. табл. 4.2);

• тентинг-метод — для двусторонних слоев с переходными отвер­стиями.

Метод МСО разработан много лет назад и находится в постоянном раз­витии. С учетом последних разработок к особенностям приведенной техно­логической схемы метода МСО относятся:

• применение лазера при получении переходных, крепежных отвер­стий и обработке по контуру (см. табл. 4.24, п. 24) для повышения точности и качества обработки;

• подготовка поверхности слоев и пакетов водной суспензией пемзово­го абразива перед нанесением фоторезиста, а также перед прессова­нием, что исключает применение агрессивных сред, используемых при химической подготовке поверхности;

• применение магнетронного напыления на стадии предварительной металлизации переходных и сквозных отверстий, которое заменяет использование токсичных растворов химической меди на сухой без­отходный процесс;

• применение прямой металлизации отверстий, исключающей процесс нанесения подслоя химической меди (см. разд. 515.2.1);

• оксидирование и сушка в инертной среде для удаления влаги при подготовке слоев перед прессованием для повышения прочности и качества сцепления слоев;

• применение плазменной очистки сквозных отверстий вместо под- травливания диэлектрика в смеси концентрированных серной и пла­виковых кислот;

• применение тентинг-процесса при изготовлении двусторонних слоев;

• применение SMOTLилиSMOBC-процессов при получении рисунка наружных слоев и сквозных металлизированных отверстий и др.

Достоинства ММСО:

• возможность передачи наносекундных сигналов без искажения за счет наличия экранирующих слоев и изоляционных прокладок меж­ду сигнальными слоями;

• короткие электрические связи;

• возможность увеличения числа слоев без значительного возрастания продолжительности технологического цикла и стоимости;

• возможность электрического экранирования;

• устойчивость к внешним воздействиям и др.

Недостатки ММСО:

• малая площадь контакта сквозного металлизированного отверстия с торцами контактных площадок внутренних слоев, что может привес­ти к разрыву электрических цепей при пайке ЭРИ или в процессе эксплуатации при механических и термических воздействиях;

« низкое качество химической меди, которую применяют в качестве под­> слоя перед гальваническим меднением элементов печатного рисунка;

• значительная разница TKJIPмеди, диэлектрика и смолы и пр.

2. Метод открытых контактных площадок

Особенностью конструкции МПП с открытыми контактными площад­ками является отсутствие электрической связи между слоями и ее появле­ние только после установки и пайки выводов ЭРИ к контактным площад­кам любого из слоев (рис. 4.32).

2 3 3

Рис. 4.32. Конструкция МПП с открытыми контактными площадками:

1— открытые контактные площадки;2— печатный проводник;3— слой диэлектрика

Каждый слой (их может быть более 20-ти) изготавливают на односто­роннем фольгированном диэлектрике химическим негативным методом. Отверстия в слоях получают штамповкой. После сборки, совмещения и склеивания слоев клеем БФ-4 на специальном приспособлении обеспечи­вается доступ к

контактным площадкам внутренних слоев. Для увеличения площади контакта диаметр контактной площадки должен быть больше I диаметра отверстия.

К достоинствам МПП с открытыми контактными площадками следует

• отнести большое число слоев, ремонтопригодность, а к недостаткам — не­высокий класс точности (3-й).

3. МПП с выступающими выводами

В многослойных ПП с выступающими выводами электрическая связь между слоями выполняется с помощью печатных проводников внутренних слоев, отогнутых на наружный слой МПП и закрепленных изоляционными бнакладками (рис. 4.33).

1 2

Рис. 4.33. Конструкция МПП С выступающими выводами:

1 — накладка; 2— контактная площадка;3— выступающий вывод;4— печатный проводник

К преимуществам данного метода данной конструкции относятся:

• большое число слоев (до 15-ти);

• высокая механическая прочность;

• возможность параллельного выполнения операций.

1 4.3.1.4. Метод попарного прессования

При изготовлении МПП методом попарного прессования (рис. 4.34) ачала получают две ДПП с металлизированными отверстиями комбини- эванным негативным методом, затем их прессуют вместе с размещенной ними изоляционной склеивающей прокладкой. После сверления в генном полупакете сквозных отверстий получают рисунок наружных | слое в и сквозные металлизированные отверстия. Затем эти полупакеты [прессуют, сверлят сквозные отверстия и получают рисунок наружных слоев металлизированные отверстия комбинированным позитивным методом. |Таким образом осуществляют электрические соединения между наружны-

и внутренними слоями МПП.

Рис. 4.34. МПП, изготовленная методом попарного прессования

К недостаткам метода попарного прессования можно отнести:

• длительный технологический цикл последовательного выполнения операций;

• большое количество химико-гальванических операций и др.