книги из ГПНТБ / Федоров А.М. Основы контроля печатных схем

содержащем 30—50 г/л калия или двухромовокислого аммония и 3—5 мл/л аммиака. Лист бумаги, приго­ товленный для работы, погружается в сенсибилизирую­ щий раствор и в течение 3—4 мин при температуре 12— 15° С размачивается до полного выпрямления.

Предварительно подготавливаются фотошаблоны. Желательно, чтобы они изготавливались на силикатном или органическом стекле, так как благодаря жесткой подложке их можно непосредственно использовать в качестве переносчика пигментно-желатинового слоя с бумажной подложки на сетку.

Эмульсионная сторона фотошаблонов защищается от действия воды бесцветным нитролаком № 930 или АВ-4. Для снижения сцепления между этой стороной и пигментно-желатиновым слоем тампоном наносится 1.0%-ный раствор воска в бензине. Осушивание произ­ водится на воздухе, сторона полируется до блеска мяг­ кой фланелью.

Мокрая очувственная пигментная бумага накладыва­ ется желатиновым слоем на эмульсионную сторону фото­ шаблона II прокатывается резиновым валиком до пол­ ной ликвидации воздушных пузырей. Излишки раствора удаляются фильтровальной бумагой.

Экспонирование изображения с фотошаблона на пигментно-желатиновый слой осуществляется аналогич­ но первому способу, описанному выше. При последую­ щей промывке в теплой воде бумажная подложка и же­ латиновый слой с незадубленных участков легко отде­ ляются от фотошаблонов.

Изображение закрепляется в холодной воде в тече­ ние 2—3 мин, а затем в растворе хромокалиевых квас­ цов (1—2 мин).

Подготовленный таким образом фотошаблон укла­ дывается на жесткое основание желатиновым слоем вверх. На него кладется рамка с влажной сеткой так, чтобы ткань плотно легла на рисунок. Избыток влаги с внешней стороны сетки удаляется фильтровальной бу­ магой. На сетку кладутся одна слегка влажная и две сухие фланелевые прокладки, а сверху—ровная плас­ тинка, на которую устанавливают груз из расчета 50— 70 г/смг. Время выдержки под грузом —1 час.

После снятия груза, пластины н прокладок сетка об­ рабатывается тампоном, смоченным спиртом, и сушится

29

в сушильном шкафу в течение 40—50 мин. Шкаф имеет воздушный холодный обдув.

Фотошаблон с высушенного трафарета осторожно удаляют. Нерабочая поверхность с внутренней стороны покрывается цветным нитролаком № 930, АВ-4 или ок­ леивается бумагой. В таком виде трафарет готов к ра­ боте.

Рамка с сеткой закрепляется на станок для сетко­ графической печати с зазором 1—3 мм от поверхности заготовки платы. Делается это для того, чтобы контакт сеток с фольгой был только в зоне нажатия ракелем, то есть только в том месте, где продавливается краска.

Чтобы нанести рисунок схемы, используются литопонные белила, маркировочные, переплетные и другие краски.

Толщина нанесенной краски зависит от положения ракеля. Чем круче он над сеткой, тем меньше краски остается на оттиске. При положении ракеля, более по­ логом, возникает более толстый слой краски. Нормаль­ ное положение угла между ракелем и поверхностью сетки должно составлять примерно 60°. Ракель должен двигаться равномерно, без замедления и остановок. Тем самым образование полос на оттиске будет предотвра­ щено.

Продолжительность сушки слоя краски 40—60 мин при температуре 100° С.

Фотоспособ основан на том, что изображение кон­ тактным методом копируется с фотошаблона на заго­ товки из фольгированного диэлектрика, покрытые све­ точувствительной эмульсией.

Наиболее широкое применение получили эмульсии на основе поливинилового спирта и желатины. Пример­ ный состав светочувствительного раствора на основе поливинилового спирта следующий [5]:

Для изготовления светочувствительных растворов применяется поливиниловый спирт ПВС по ТУ П-172—67, ТУ П-180—63, ТУ 605—1470—71 и ГОСТ 10779—69. Количество этого спирта, необходимое для приготовле­ ния раствора нужной вязкости, определяется опытным

путем, так как вязкость зависит от молекулярного веса спирта и меняется не только в зависимости от марки, но и от того, какова партия материала.

Фоторезисты на основе поливинилового спирта обла­ дают хорошей адгезией к медной фольге, хорошей раз­ решающей способностью, нерастворимы и химически стойки по отношению к травящим растворам.

Один из существенных недостатков фоторезистов, о которых идет речь — темновое дубление (или старе­ ние слоя). В фоторезисте, даже если действие света не отмечается, хром восстанавливается и образующиеся со­ единения уменьшают растворимость слоя, то есть задубливают его. Подобное явление препятствует дли­ тельному хранению копировальных слоев и растворов, не дает возможности на специализированных предприя­ тиях наносить их на подложки или приготавливать дос­

большую разрешающую способность, чем слои на осно­ ве поливинилового спирта и желатины. Наносить копи­ ровальные слои можно одновременно с изготовлением фольгированного диэлектрика, поскольку жизнеспособ­ ность таких слоев сохраняется в течение года. Эти слои характеризуются большей стабильностью и устойчивос­ тью. к изменениям внешних условий.

Использование таких копировальных слоев дает зна­ чительный экономический эффект — резко повышается производительность труда, за счет ликвидации операций, связанных с нанесением слоев, сокращаются производ­ ственные площади, улучшается качество изготовления печатных плат. Однако при выпуске печатных плат фо-

31

торезисты на дназосоединениях не нашли пока еще дос­ таточно широкого распространения.

Светочувствительные эмульсии наносятся на заго­ товки путем полива пли погружения, вытягивания и других методов.

Фотоэкспонированпс изображения, проявление, задубливанпе, промывка и сушка осуществляются анало­ гично прямому сеткографическому способу нанесения рисунка.

Поскольку оборудование для механизации процесса отсутствует, фотоспособ по сравнению с другими явля­ ется менее производительным.

2 — 3. ТРАВЛЕНИЕ

После нанесения защитного покрытия фольгирован­ ная заготовка помещается в травильную машину. В ка­ честве общепринятого травнтеля используется водный раствор хлорного железа с концентрацией от 28 до 42% (весовых). Как видно из табл. 6 , оптимальная концент­ рация хлорного железа 34—48%. Это соответствует плотности раствора 1,36—1,4 г/см3 [109].

Таблица 6

Концентрация растворов хлорного железа

Суммарная реакция процесса травления меди может быть выражена следующим уравнением (без учета комплексообразования):

2FeCls + Cu = 2FeCI2 + CuCl2.

По мере того, как происходит процесс травления, концентрацияхлорного железа в растворе уменьшается, а концентрация хлористого железа и хлорной меди воз­ растает. Подобное явление замедляет процесс трав­ ления.

32

Чтобы травильный раствор минимально воздейство­ вал на изоляционное основание, фольгированный лист с защитным рисунком, нанесенным на него, в раствор не погружают, а обрабатывают под давлением тонкими струями фонтанирующего травильного раствора.

На скорость травления оказывают влияние такие факторы, как концентрация хлорного железа, темпера­ тура раствора, давление струй травильного раствора, количество воздуха, поступающего в зону реакции. Длительность процесса травления зависит от толщины фольги: если толщина ее составляет 50 мкм, продолжи­ тельность травления около 9 мин [7], если толщина

35 мкм — 5—7 мин [8 ].

Основными преимуществами хлорного железа, как травильного раствора, следует считать его относительно невысокую стоимость, возможность получения раствора в виде, готовом к употреблению, наличие четкого и рав­ номерного травления, а также отсутствие в процессе работы токсичных паров. Что касается недостатков, то к ним относятся: значительный непроизводительный расход материала фольги, поскольку медь при травле­ нии переходит в раствор хлорного железа, и трудности ее регенерации из раствора; снижение, в результате воз­ действия активных химических продуктов электричес­ ких параметров диэлектрика; малая скорость травле­ ния и последующая отмывка от травителя.

Другой травильный раствор, оказывающий меньшее воздействие на снижение электрических параметров ди­ электрика— персульфат аммония. За рубежом более половины всех печатных; схем подвергаются травлению в его растворе [9]. Однако растворы персульфата ам­

Персульфат аммония дает большее подтравливанис, чем другие травители [ПО].

Раствор "персульфата аммония можно рассматри­ вать как раствор специального назначения, когда при­ сутствие ионов хлора нежелательно.

Когда используется раствор персульфата аммония, регенерация меди достигается на основании способов, сравнительно простых, продукты травления легко уда­ ляются с печатных плат путем обыкновенной промывки в воде. Разработаны также варианты технологических процессов, предусматривающие повторное использова­ ние растворов персульфата аммония [10 ].

Стоимость печатных плат, обработанных персульфа­ том аммония, вследствие его высокой дороговизны на­ много выше стоимости плат, подвергшихся обработке хлорным железом.

За последнее время в качестве травителя широко используются растворы на основе перекиси водорода. Перед растворами, о которых говорилось выше, они об­ ладают определенными преимуществами — скорость травления меди увеличивается в несколько раз и сохра­ няется достаточно высокой даже в случае большого ко­ личества растворенной меди, возрастает количество растворяемого металла, травление можно осуществлять путем погружения, растворенная медь достаточно легко извлекается из ванны.

Предполагается, что травление меди происходит в

ной кислоты и 600—800 мл воды, является оптималь­ ным.

34

Ориентировочные подсчеты стоимости травления в оптимальном растворе перекиси водорода и в растворе персульфата аммония показывают, что в первом случае оно втрое дешевле.

Травильный раствор на основе перекиси водорода — раствор разового действия. Корректировать его по мере снижения концентрации Н20 2 нецелесообразно — это приводит к значительному увеличению объема рабоче­ го раствора. К тому же под действием ионов меди про­ исходит каталитическое разложение перекиси водорода.

Для травления рисунка схемы применяются также азотная кислота, хлорная"медь и, как универсальный травитель, хлорид натрия. Азотная кислота растворяет медь примерно в шесть раз быстрее, чем хлорное желе­ зо. Существенным недостатком этой кислоты, как травителя, являются токсичность паров при травлении и разрушение диэлектрика на фенольной смоле. Преиму­ щество хлорной меди заключается, в основном, в легкой регенерации. Сравнительные исследования травильных растворов, используемых за рубежом, описаны в работе

X. Ханке і[12].

2 - 4 . МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

В технологическом процессе изготовления печатных плат механическая обработка предусматривает резку листов и полос на заготовки, обработку отверстий и

ние,- то есть размещать на одной заготовке несколько одинаковых плат. Не рекомендуется выполнять габа­ ритные размеры для обычных печатных плат величиной более 240 X 360 мм, а для плат, плотность монтажа ко­ торых повышенная— более 120 X 180 жж. Во многих случаях форма изготовляемых плат — квадратная или прямоугольная (соотношение размеров сторон 1 : 1, 1 : 2 ; 2:3; 2:5). Применение плат, имеющих значительные габариты и сложную конфигурацию, нежелательно — таким платам присущи малая механическая прочность, коробление в процессе получения печатного монтажа и групповой пайки, они требуют сложной обработки.

В зависимости от конструкции платы п принятого

варианта технологического процесса получения провод­ ников, заготовки можно выполнить с размерами конту­ ра, равными размерами платы или с припуском по кон'- туру.

В первом случае окончательные размеры платы по­ лучают путем фрезерования штучной заготовки или вы­ рубки из полосы. Вырубка целесообразна для плат, имеющих фигурный контур, и изготавливаемых в боль­ шом количестве. Чтобы обрабатываемая поверхность была качественной, практикуется предварительный по­ догрев заготовок до 80—100° С в течение 5—7 мин на 1 мм толщины материала. Повышенная температура

Рис. 4. Заготовка печатной платы с тех­ нологическими .отверстиями

способствует улучшению пластичности материала. В ре­ зультате этого количество сколов и трещин в местах обработки, их размеры резко сокращаются. Обычно при толщине материала до 1,5—2,0 мм применяют вырубку штампом без подогрева.

Более часто заготовка отрезается с припуском в 10— 15 мм по контуру на одну или несколько деталей, как показано на рис. 4, а окончательный контур (тот же рисунок — штриховая линия) образуется за счет выруб­ ки или фрезерования после изготовления печатных плат. Все конструктивные отверстия, различные пазы и другие элементы, не подлежащие металлизации, также получают после окончательного нанесения схемы про­ водников. Чтобы на последующих операциях технологи­ ческого процесса достигнуть точности совмещения и ус­ тановки, в заготовках по кондуктору сверлят два или три базовых и фиксирующих отверстия диаметром 3— 7 мм. Базовые отверстия могут быть получены и штам­ повкой с одновременной вырубкой контура заготовки. Полосы заданной ширины или отдельные заготовки слоистых материалов толщиной 0,8—3,0 мм нарезаются дисковыми пилами или гильотинными ножницами.

36

Резка тонких материалов 0,1—0,8 мм осуществляет­ ся обычно на гильотинных или роликовых ножницах. Если используются гильотинные ножницы, параллель­ ные ножи устанавливаются с минимальным зазором. Величина зазора не более 0,02—0,03 мм по всейдлине реза [13]. Подвижный нож ножниц проходит при опус­ кании не менее 0,4 н- 0,8 мм режущей кромки неподвиж­ ного ножа.

Геометрия параллельных ножей гильотинных нож­

Перед началом эксплуатации ножниц они испытыва­ ются на срез бумаги толщиной 0,05—0,1 мм; при этом срез должен быть ровным и чистым.

Для резки гетинакса применяются дисковые пилы, изготовленные из быстрорежущего сплава. Более чис­ тый срез торца достигается за счет использования пил, угол поднутрения которых до 1°. Рекомендуемые диа­ метры пил: 200—350 мм с толщиной зуба 3—5 мм и с шагом 3—5 мм для быстрорежущей стали и ПО—440 мм с пластинками из твердого сплава (число зубьев 20—74

•и толщина 2—4 мм). Скорость резания для инструмен­ та из быстрорежущей стали обеспечивается в пределах Д10—200 м/мин при подаче 0,4—0,5 мм/об и для твер­

пластины которых выполнены из твердого сплава. Тол­ щина диска фрезы 3—4 мм, диаметр ее 200 мм, скорость резания 150—280 м/мин с подачей 0,4—0,5 мм/об [14].

Резка на роликовых ножницах осуществляется вра­ щающимися роликами, имеющими форму усеченного конуса, с допуском на порезку +0,1 мм. Скорость ре­ зания 9 м/мин [15].

Материал с наполнителем из стекла можно обраба­ тывать холодным, а на основе бумаги — с умеренным подогревом.

Чтобы предотвратить поверхность фольги от механи­ ческих повреждений, загрязнения и окисления, нарезать заготовки целесообразно не удаляя прокладочные, лис­

37

ты бумаги. Инструмент должен быть обезжирен. После резки циркулярной пилой и гильотинными ножницами необходимо снимать заусеницы.

Обработка отверстий. Платы, в зависимости от их конструкций, имеют отверстия, различные по форме и размерам Для установки выводов электроэлементов наиболее часто используются цилиндрические отверстия без зенковки пли имеющие ее с одной или с двух сторон.

Выбор диаметров монтажных отверстий, подлежа­ щих металлизации, зависит от того, каковы .толщина материала и диаметры выводов навесных элементов, и выбирается в соответствии с табл. 8 . Применение от­ верстий различных диаметров на одной плате целесо­ образно ограничивать. •

Допускается установка радиоэлементов с выводами диаметром: 0,5 мм в отверстие диаметром 1 мм;

0,6 мм в отверстие диаметром до 1,3 мм; 0,8 мм в отверстие диаметром до 1,5 мм и т. д.

Рассчитывая диаметры монтажных металлизирован­ ных отверстий под сверление, толщину заготовки Платы можно не учитывать. Максимальный диаметр отверстия после сверления тогда определяют, пользуясь формулой:

где do— диаметр монтажного отверстия по окоачании металлизации, мм\

Кі — коэффициент, характеризующий величину уменьшения диаметра обрабатываемого отвер­ стия после охлаждения слоистых пластиков, мм.

Величина Кі в производственных условиях опреде­ ляется в зависимости от обрабатываемого материала, размера и геометрии сверла, режимов резания и дру-

38