Заводян Лабораторный практикум

(фиксирующие)– для ориентации и фиксации плат при технологической обработке,длясборкивпакетит.д.;технологические– длятестирования, теплоотводаидругихцелей.Иногда,еслиэтопредусмотреноконструкциейПП, некоторые функции,выполняемые отверстиями,могут быть совмещены, напримермежслойнаякоммутацияимонтажнавесныхкомпонентов.

*-уППдлятрадиционногомонтажаплотностьмонтажахарактеризуется шириной и шагом коммутирующих элементов 1,25 мм и более,а также конструкциейиспользуемыхнавесныхкомпонентов,пригодныйдлямонтажав отверстияхплат.

** - ПП для поверхностного (высокоплотного) монтажа (обычно называемые коммутационными платами (КП)) с шириной и шагом коммутационныхэлементов1,25мм именеетребуютприменениянавесных компонентоввмикрокорпусах,либобескорпусных,втом численалентахносителях.Такиеплатыотличаются такжеприменениемболеепрецизионных технологийпроизводства.

Наиболеепростымипоконструкцииитехнологииизготовленияявляются ОППобычнобезметаллизированных,ноиногдаисметаллизированными отверстиями.Всвязисограниченнойплощадьюразмещениярисункасхемы такиеплатыприменяютсядляпростыхэлектронныхустройствбытовогои вспомогательногоназначения.

ДПП собеихстороноснования,какправило,диэлектрического,имеют проводящие рисунки,соединенные междусобой в необходимых местах с помощью металлизированныхотверстийиконтактныхплощадок.Такиеплаты применяют для изготовления более сложных изделий. Пока менее распространены ДПП на металлическом основании с нанесенным на него диэлектрическимпокрытиемизстекла,либостеклоэмалиилилака(например, полиимидного).

МПП состоятизчередующихсяслоевизоляционныхитокопроводящих материалов,сформированныхвсоответствиистопологиейдлякаждогослоя. МеждуразличнымикоммутационнымислоямиМПП,какправило,формируют межслойные электрические соединения. Различия конструкторскотехнологическихвариантовМППвомногомсвязанысоспособамисоединения токопроводящихслоевмеждусобой.Реализуютсяэтиспособыпутемсоздания различныхмежслойныхкоммутационныхпереходов,например,черезсквозные металлизированныеотверстиявструктуреплаты;черезметаллизированные отверстия в отдельных слоях (глухих отверстиях) платы; через окна, сформированные фотолитографией либо трафаретной печатью; через неметаллизированныеотверстия(сквозныеиглухие)спомощью объемных проводящих деталей,полосок фольги,заполнения припоем разновысотных глухихотверстийсимеющимисянаихднеоткрытымиконтактнымиплощадками идр.(рис.1).ГибкиеПП имеютэластичноедиэлектрическоеоснованиеи выполняются,какправило,двустороннимисметаллизированнымиотверстиями иконтактнымиплощадкамидляпайкинавесныхкомпонентов.Многослойные ГППобычноформируютнаосновеполиимиднойпленки.Гибкиешлейфысостоят изодногоилинесколькихдиэлектрическихслоев,накоторыхразмещаются печатные проводники.Гибкие плоские кабели состоят из 2 -60 тонких проводниковдиаметромдо30мкм,залитыхилизапрессованныхвэластичную полимерную оболочку, например, полиэтиленовую, поливинилхлоридную, лавсановуюит.д.,нонередкоихизготавливаютсприменениемдиэлектрических оснований -пленок из аналогичных полимерных материалов и печатных проводников.

31

Жестко-гибкие конструкции ПП открывают новые возможности для монтажаэлектронныхустройств,посколькупозволяютсоединитьдругсдругом МГШ общимгибкимслоемпочтиприлюбомихрасположениибезсоединителей и электрического монтажа,в результате чего снижаются массогабаритные показателиизделия,исключаютсяошибкипримонтаже,сокращаетсявремя испытанийиремонта,снижаетсястоимостьсборки.Гибкийслойскоммутациейв этом случае является общим для двух соединяемых МПП и обязательно содержитпленочноезащитноепокрытиекоммутациинасоединительномучастке.

Печатно-проводныеплатыпредставляютсобой(см.рис.1,е)сочетаниеДПП имонтажныхпроводов(ввидеизолированныхпроводниковдиаметром0,1-0,2 мм).ПрименениеПППцелесообразнодлясокращениясроковпроектирования (примерновдвараза)иосвоениясложнойаппаратуры(длямакетирования),а такжеиногдадлямелкосерийногопроизводствасложныхизделий,поскольку стоимостьПППвсравнениисМППдлятакихизделийсокращаетсяна20-40%.

Рельефные платы отличаются от прочих тем,что их проводники формируютвканавках,предварительноизготовленных(наоднойили двух поверхностях диэлектрического основания) в соответствии с топологией коммутирующихэлементов(рис.2).Материалпроводника,находящийсявне

32

канавок,обычно сошлифовывают.Даннаяконструкцияплатможетбытьи многослойной,аихпроизводствоэкологическиболеечистым,чемдругихПП,при минимальнойстоимости.

Объемные платы представляют собой монтажные узлы,в которых заглубленный (в объеме платы) монтаж навесных компонентов (обычно бескорпусных) осуществляется одновременно (либо последовательно) с формированиемкоммутирующихэлементов.Диэлектрическоеоснованиетаких плат чаще всего содержит углубления для посадки и крепления в них компонентов.Электрическоесоединениекомпонентовиногдаосуществляетсяв процессеформированиякоммутирующихэлементов(рис.3).

Материалыдляизготовленияпечатныхплат

Для изготовления печатных плат широкое применение находят фольгированныедиэлектрики.Фольгированныематериалыпредставляютсобой слоистые электроизоляционные пластины или синтетические пленки (фторопластовые,лавсановые,полиимидныеидр.),облицованныесоднойили двухсторонметаллическойфольгой,обычномедной(99%отобщегоколичества выпускаемыхплат),либоалюминиевойилиникелевой.Алюминиевую фольгу применяютрежемеднойиз-заплохойпаяемости,аникелевую –вследствие высокойстоимостииповышенноговсравнениисмедьюиалюминиемудельного сопротивления,атакжеменьшейтеплоотводности(кромеплохойпаяемости). Толщинамеднойфольгисоставляет18-35мкм.Дляуменьшениярасходамедии подтравливанияпечатныхпроводниковвпоследнеевремянаходитприменение тонкомернаяфольгатолщинойпорядка5,0мкм(зарубежом–вдиапазоне2-5 мкм). Медную фольгу изготавливают прокаткой и электролитическим осаждением. Наиболее широкое применение получила медная

33

электролитическаяфольгамарокФМЭО(оксидированная,толщиной18-35мкм); ФМЭОШ (оксидированная,шероховатая,толщиной 35мкм)(дляповышения адгезиифольгикоснованию).

Сцелью обеспечениянадежногоконтактафотошаблонасповерхностью фольгированногодиэлектрикаприэкспонированиии,следовательно,точного воспроизведениятопологическихпараметровпечатнойсхемыфольгаимеетодну гладкую поверхность (выполненную по квалитету не ниже Н8).Другая поверхность фольги для повышения адгезии с диэлектриком является шероховатойсвысотойнеровностей3-8мкмдлямаркиФМЭОи5-8мкм–для маркиФМЭОШ.Этим требованиям удовлетворяетэлектролитическаяфольга. Катаная фольга применяется лишь при изготовлении МПП методом выступающихвыводов,гдебольшоезначениеимеютповышенныемеханические свойства медной фольги.Для увеличения прочности сцепления фольги с диэлектрическим основанием шероховатаяповерхностьфольгипокрывается оксидированнымгальваностойкимслоемтолщиной0,15-0,35мкмилихромовым слоемтолщиной1-3мкм.

Фольгированные диэлектрики используютдля изготовления печатных платпосубтрактивнойтехнологии.Дляплат,работающихначастотахдо106Гц, наибольшеераспространениеполучилифольгированныедиэлектрикинаоснове слоистыхпластиков,такихкакстеклотекстолиты,реже–гетинаксыитекстолиты. Стеклотекстолиты готовятсянаосновестеклоткани,гетинаксы – наоснове бумаги и текстолиты – на основе хлопчатобумажной ткани,пропитанных фенольноформальдегидными смолами, иногда модифицированных эпоксидными,кремнийорганическимиилидругимисмолами.Внастоящеевремя широкое применение находят стеклотекстолиты на основе эпоксидных и кремнийорганическихсмол.Печатныеплаты,используемыедля работы на частотах до 1010 Гц, изготавливают с применением фольгированных диэлектриковнаосновенеполярныхматериалов–фторопласта,полиэтилена, полиэтилентерефталата и др.Полиимидныегибкие пленочныедиэлектрики используютприизготовлениимногослойныхкоммутационныхплатсложных быстродействующих устройств. Для производства рельефных плат перспективны термопластичные материалы, например, полисульфон, полиэфиримид,полиэфирсульфонидр.;длямощныхустройств(втомчислеСВЧустройств)платы изготавливаютна основе различныхкерамик (например, оксидныхкерамикспреобладаниемAl2O3,ВеОидр.,атакжебескислородных керамик на основе материалов типа АlN,BN,SiC и др.).Среди самых перспективных диэлектрических материалов коммутационных плат для устройстввысокотемпературноймикроэлектроникиследуетотметитьалмазную керамикуитонкиевысокотеплопроводящиеалмазныепленки(скоэффициентом теплопроводностидо900-1000Вт/(мК)).

Основныеспособыизготовленияпечатныхплат

Внастоящеевремянасчитываетсябольшоечислоспособовизготовления ПП(КП),которыевзависимостиотметодов,положенныхвосновуформирования коммутационныхэлементов,можноразделитьна:

субтрактивные(фотохимическиелибохимико-механические,например, офсетная печать),когда проводящий рисунок получают удалением путем травленияпроводящегослоя (фольги)сучастковповерхности,образующих непроводящийрисунок(спробельныхмест);

полуаддитивные(химико-гальванические),когдапроводящийрисунок получаетпринанесениипроводящегослоянанепроводящее(диэлектрическое)

34

основание с предварительно нанесенным тонким (вспомогательным) проводящимпокрытием,впоследствииудаляемомспробельныхмест;

аддитивные (химические), когда проводящий рисунок получают нанесением проводящего слоя заданной конфигурации на непроводящее (диэлектрическое)основаниеплат;

с использованием приемов толстопленочной либо тонкопленочной технологии;

рельефные, когда проводящий рисунок задается рельефом, выполненнымвдиэлектрическомосновании,аспробельныхместосажденный проводящийслойудаляетсяпреимущественношлифованием;

комбинированные, когда для получения проводящего рисунка применяют комбинации различных способов (например,субтрактивного и полуаддитивногоит.д.)вконкретныхцелях(например,дляпроизводстваППна основефольгированногодиэлектрикасметаллизациейсквозныхотверстийи др.).

Таблица1

Распределениепогрешностей

приизготовленииМППразличнойсложности

* Численныезначенияотсутствуют. **Значения,используемыеприразработкеконструкцииМПП.

Внастоящеевремявпроизводствепечатныхплатчащеиспользуется способтравленияфольгидляполучениярисункапроводящегослоя.Для повышенияплотностирисункакоммутацииимонтажавсеширепопользуются фольгированныедиэлектрики,полученныесприменениемтонкомерноймедной фольгитолщиной5-10мкм.Вэтомслучаеможноизготовитьплатысшириной печатногопроводникаивеличинойзазорамеждупровод¬никамидо0,15мм (минимальныезначенияэтихпараметровсостав¬ляют0,2и0,3ммпритолщине

35

фольги35и50мкмсоответственно).Всвязисэтимвпоследнеевремяособое значениеприобретаютразличныевариантыаддитивнойтехнологии. Самыйпростойспособизготовленияпечатныхплат-субтрактивный(по субтрактивнойтехнологиибезметаллизацииотверстий)(рис.4),однакоболее распространенкомбинированныйспособпо¬лученияДПП,основанныйнатомже фотохимическомметоде,т.е. травлениинезащищенноймаскирующимслоемфольги,нособеихсто¬рон фольгированногодиэлектрикаидополненныйсозданиемпереход¬ных межслойныхсоединенийпутемхимико-гальваническойметалли¬зации отверстий(рис.5).

Комбинированныйспособхарактеризует¬сявидомрисунка(взащитномслое), переносимогоприпечати,сэтимсвязаноиназваниеразновидностей используемыхтехнологий.Так,еслизащитныйрельефпредохраняетфольгу (рабочиеееучаст¬ки)притравлении,технологиюназываюткомбинированной негативной(рис.5,а);еслизащитныйрельефпредохраняетфольгу(нерабочиеее участки)пригальваническом(либохимико-гальваническомидр.)осаждении- комбинированнойпозитивной(рис.5,б).Вторуюиспользуютчаще.Каквидноиз рис.5,сверлениеиметаллизациюотверстийосуществляютдополучения печатныхпроводников,чтоис¬ключаетбракпопричинесрываконтактных площадокприсверленииотверстийинетребуетпримененияспециальных контактирующихприспособленийприэлектрохимическойметаллизацииэтих отверстий.ПроцессизготовленияДППпокомбинированнойнегативной техноло¬гиииногдаиспользуютдляметаллизациисквозныхотверстийс одновременнымдоращиванием(гальваническим"усилением",например,

36

припоемлибоблагороднымметаллом)проводящегослоя(таккакзащищенный слойфоторезистасформированнанерабочихучасткахфольги,аеерабочие участкиоткрытыдляосаждения),послечегоследуеттравлениефольгис пробельныхмест.

ПреимуществамисубтрактивнойтехнологииизготовленияППяв¬ляются простотареализацииивысокаятехнологичностьприудов¬летворительном качестверисункапроводящегослоя.

КачествоготовойППзависитотрежимовобработоквпроизвод¬ствеплат. Несоблюдениережимовобработокможетпривестикбраку.Принекачественной очисткепереднанесениемфоторезистаплатаможетиметьместа,имеющие плохуюадгезию.Притравленииэтопри¬водиткстравливаниюмедивненужных местахиликподтравамиз-заотслоенияфоторезиста.Качествоэкспонирования можетбытьнизким,еслилампанедостаточнопрогретаилифотошаблон неплотноприле¬гаеткзаготовке;оносущественнозависитотплотности фотошаб¬лона,котораяможетизменятьсяпризаменефотошаблона,оттолщины исплошностислояфоторезиста,условийэкспонированияивомногом определяетточностьрисункапроводящегослоя.

Рис.5а Основные операции субтрактивной технологии изготовления ПП с металлизацией сквозныхотверстий:а)комбинированнаянегативная:I.Очистказаготовкифольгирования;I. Сверлениесквозныхотверстий;I.Сенсибилизацияиактивация;IV.Химическоеосаждениемеди; V. Формирование маскирующего покрытия;VI. Гальваническое наращивание меди;VI. Гальваническоенаращиваниематериалаприпоя;VI.Удалениемаски;IX.Селективноетравление проводящихслоев;X.Изготовлениетехнологическихотверстий;XI.Формированиезащитного покрытия (для пайки).1 -медная фольга;2 -диэлектрическое основание платы;3 - химическиосажденныйслоймеди;4 маскирующеепокрытие;5–гальваническиосажденный слоймеди;6-припоиSn/Pb;7-защитноепокрытиедляпайки;8-технологическоеотверстие.

37

Притермическомэадубливанииувеличениетемпературывыше140°С обычновызываетсложностиудаленияфоторезистапослетравления проводящегослоя,авыше160°Сможетпривестикрастрескиваниюфоторезиста иегоотслаиваниюпреждевсегопокраямрисунка.Втожевремянедостаточная температураиливремязадубливанияфоторезиста,какправило,такжеприводят котслаиваниюегопритравлениипроводящегослоя,посколькуинтенсивная сорбциявлагипленкойфоторезиставпроявителеспособствуетееразбуханию (деформации),авозникающиеприэтомнапряженияприводяткразрушению адгезионныхсвязейнаграницефоторезист-заготовкаплаты.Скоростьи качествотравлениязависятотрядафакторов:концентрации,температурыи интенсивностиперемешиваниятравителя.Вслучаенекачественнойпромывки послетравлениямогутухудшитьсяпараметрыплатывпроцессеэксплуатации вследствиекоррозиипечатныхпроводников,уменьшенияповерхностного сопротивлениядиэлектрикаит.д.Поэтомуотработкатехнологическогопроцесса полученияППнакаждойоперациидляконкретноготипаоборудованиясвязана преждевсегосоптимизациейтехнологическихрежимов,например,подсушка фоторезистапередэкспонированиемважнадляосуществленияконтактной печати(впротивномслучаевозможноповреждениефоторезистафотошаблоном припечати),хотявоздействиетемпературынесколькоснижает светочувствительныесвойствафоторезистов,чтоотражаетсянаточности воспроизведениярисункавпроводящемслое,следовательно,компромиссное

38

решение-поископтимальнойтемпературы. Основныминедостаткамисубтрактивнойтехнологиииее

комбинированныхвариантовявляютсябольшиепотерипритравлении(до60-90 %)высококачественнойэлектролитическоймеди,ограниченнаяплотность рисункапроводящегослоя(ограничиваетсятолщинойфольгиисвязаннымис этимподтравами)и,следовательно,невысокаяплотностьмонтажанатакихПП (применениетонкомернойфольгилишьчастичнорешаетэтупроблему).Кроме того,приорганизациитакойтехнологиитребуетсярешениепроблемы,связанной спереработкойсточныхотходов,таккакрегенерациямеди,нейтрализация травителейиочистителейэкономическивыгоднытольковусловияхкрупных предприятийприбольшихобъемахпроизводстваПП.Темнеменее субтрактивнаятехнологиявследствиееелучшейвсравнениисдругими, освоенностииоснащенностипокаещезанимаетдоминирующееположениев массовомпроизводствеППвнашейстране.

Ваддитивнойтехнологиирабочаятолщинапечатныхпроводников достигаетсятолькопутемхимическогомеднения,поэтомутехнологическими приемамидолжнообеспечиватьсяпрочноесцеплениеосаждаемоймедис поверхностьюдиэлектрика.Сэтойцельюнаегоповерхностьнаносятся специальныйадгезив,частоэпоксикаучук,толщиной25-100мкм,которыйзатем обрабатываетсядиметилформамидомдочастичногонабуханияисмесью, например,хромовогоангидридассернойкислотойдонебольшоготравления (подтравлввания)адгезива.Врезультатенаповерхностиадгезивавозникают свободныесвязи,повышающиеэффективностьпоследующихпроцессов сенсибилизациииактивамиматериалаоснованияплаты(втомчислеистенок отверстий).

Присенсибилизациинаповерхностиформируетсяпленкаионов двухвалентногоолова,которыеявляютсявосстановителямидляионов активатораметаллизации.Активацияповерхностипроводитсярастворамисолей благородныхметаллов,чащепалладия,врезультатечегонаповерхности образуетсятонкаяпленкаметаллическогопалладия.Затемформируется защитныйрельефвслоефоторезистаипроизводитсяселективноехимическое осаждениемедидополучениярабочейтолщины(10-30мкм),послечего защитноепокрытиеудаляется.

ОсновныеэтапыизготовленияППпоаддитивнойтехнологии представленынарис.6.Такаятехнологияпозволяетполучатьширинупечатных проводниковизазорымеждунимидо65мкмпритолщинепроводниковдо30 мкм.Этосущественноповышаетплотностьпечатныхпроводниковимонтажана плате.Недостаткиаддитивнойтехнологиисвязаныпреждевсегостем,что процессхимическогомеднения-одинизтрудоемкихисложныхв технологическомциклепроизводстваПП(наегодолюприходится20-40% брака).Этообъясняетсяцелымрядомпричин:низкойстабильностьюраствора химическогомеднения,трудностьюполучениякачественныхслоевбольшой толщины,сложностьюуправлениясамимпроцессомхимическогоосаждения, трудоемкойпредварительнойподготовкойматериалаосновыплаты,атакже худшейадгезиейиухудшеннымифизико-химическимисвойствамихимически осажденноймедивсравнениисгальваническойиз-заразличияихструктур,что связано,со"спецификой,процессовосаждения.

39

ПолуаддитивныйспособизготовленияППпредставляетсобойреализацию сочетаниятехнологийхимическогоигальваническогоосаждения.Особенность полуаддитивнойтехнологиисостоитвтом,чтонатонком(до1,5-5мкм)слое химическиосажденноймедиформируютрисуноквзащитномпокрытиитак, чтобырабочиеучасткимедибылиоткрытыми,послечегоосуществляют гальваническоеселективноенаращиваниепроводниковдотолщины20-50мкм, затемудаляютзшдитноепокрытиеитонкийслоймедиспробельныхмест(рис. 7).Интерескданнойтехнологиивозроспослесущественногоповышенияадгезии печатныхпроводниковзасчетсенсибилизациииактивацииматериала основанияплаты(включаястенкиметаллизируемыхотверстий).Основные преимуществааддитивнойиполуаддитивнойтехнологийзаключаютсяв возможностяхповышенияплотностикоммутацииПП,значительнойэкономии медиипрактическинеограниченномвыборедиэлектрическогоматериала основанияплат.Недостаткамитакихтехнологийявляютсяснижение электрофизическихсвойствдиэлектрическихоснованийврезультате воздействиянанихэлектролитови(или)растворовхимическогомедненияв процессехимико-гальваническогоилихимическогоосаждения,меди,малая скоростьхимическогоосаждениямеди(около1-2мкм/ч),нестабильность свойстврастворовхимическогомедненияиэлектролитовидр.(табл.1). Совершенствованиеимеющихсяиразработкановыхтехнологийдляполучения металлическойразводкиприизготовленииплатосуществляютсянетолькос цельюулучшениякачестваметаллизации,вособенностипереходныхотверстий (надолюкоторыхприходитсяосновнойпроцентбракавпроизводствеПП),нои дляповышенияплотностикоммутацииплат,обеспечивающейихприменениев

40