книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

8. Печатные платы

Окончание табл. 8.17

322

8.4. Технологические процессы изготовления печатных плат

При изготовлении МПП методом попарного прессования (рис. 8.13) сначала получают две двусторонние ПП с металлизированными отверстия­ ми, затем их прессуют вместе с размещенной между ними изоляционной прокладкой.

Полученный пакет сверлят, полученные отверстия очищают, затем металлизируют. Таким образом осуществляют электрические соединения между наружными слоями. К недостаткам этого метода изготовления МПП можно отнести длительный технологический цикл последователь­ ного выполнения операций, большое количество химико-гальванических операций.

Особенностью конструкции МПП с открытыми контактными пло­ щадками (рис. 8.14) является отсутствие электрической связи между слоями и ее появление только после установки и пайки выводов микросхем и ЭРЭ к контактным площадкам любого из слоев. Каждый слой (их может быть бо­ лее двадцати) изготавливают на одностороннем фольгированном диэлек­ трике химическим негативным методом. Отверстия в слоях (круглые — для штыревых и прямоугольные — для планарных выводов) получают штам­ повкой. После сборки, совмещения и склеивания слоев клеем БФ-4 на спе­ циальном приспособлении обеспечивается доступ к контактным площадкам внутренних слоев. Для увеличения площади контакта диаметр контактной площадки должен быть больше диаметра отверстия.

К достоинствам МПП с открытыми контактными площадками следует отнести большое число слоев, ремонтопригодность, а к недостаткам — не­ высокий класс точности.

В МПП с выступающими выводами электрическая связь между слоями осуществляется печатными проводниками внутренних слоев, отогнутых на на­ ружный слой МПП и закрепленных изоляционными накладками (рис. 8.15). К преимуществам данного метода относятся большое число слоев (15), высокая механическая прочность, возможность параллельного выполнения операций.

8. Печатные платы

ю ш

Процесс изготовления МПП методом послойного наращивания (рис. 8.16) выполняется следующим образом. Сначала на первый слой пер­ форированного диэлектрика напрессовывается медная фольга с одной сто­ роны и проводится операция химико-гальванического меднения. При этом медь полностью заполняет отверстия в диэлектрике и осаждается на по­ верхности диэлектрика, свободной от медной фольги. На этом сформиро­ ванном проводящем слое химическим негативным методом выполняется рисунок схемы, затем напрессовывается второй слой перфорированного ди­ электрика, проводится химико-гальваническое меднение отверстий и по­ верхности диэлектрика второго слоя, выполняется рисунок второго слоя и т. д. Связь между слоями осуществляется при помощи столбиков меди в от­ верстиях.

К преимуществам этого метода изготовления МПП относятся надеж­ ность межслойных соединений, большое число слоев, к недостаткам — дли­ тельный технологический цикл, невозможность использования элементов со штыревыми выводами, высокая стоимость изготовления.

В единичном производстве применяют техпроцесс полностью адди­ тивного формирования отдельных слоев (ПАФОС), основные этапы выпол­ нения которого приведены в табл. 8.18.

Таблица 8.18. Основные этапы ТП ПАФОС

324

8. Печатные платы

Окончание табл. 8.18

10 Прессование слоев

Далее — см. табл. 8.14, начиная с п. 5

Отметим, что в целом ТП изготовления МПП включает порядка 100 операций с использованием большого количества оборудования (до 40...50 единиц). Рассмотрим более подробно основные этапы изготовления ПП.

8.5. Основные технологические этапы в производстве печатных плат

Получение заготовок печатных плат

Заготовки ПП получают из листа фольгированного или нефольгированного материала стандартных размеров путем резки на гильотинных или роликовых ножницах, дисковыми фрезами или штамповкой (рис. 8.17). Рез­ ку фрезерованием применяют в мелкосерийном многономенклатурном про­ изводстве. Проводят раскрой листа на полосы и каждой полосы — на от­ дельные заготовки. На заготовке предусматривают технологические поля, где располагают базовые (фиксирующие) и технологические отверстия и которые по завершении изготовления ПП удаляют штамповкой или фрезе­ рованием (рис. 8.18).

Тест-купон — часть заготовки ПП, которая служит для оценки качест­ ва изготовления ПП, прошедшая с ней все технологические операции и от­ деляемая перед испытаниями.

Базовые и технологические отверстия можно получить пробивкой од­ новременно при вырубке заготовки ПП из полосы; пробивкой в заготовке ПП, полученной резкой; сверлением заготовок, полученных резкой или сверлением по кондуктору на настольных сверлильных станках.

326

8.5, Основные технологические этапы в производстве печатных плат

S

Рис. 8.17. Способы резки листа на полосы:

а — на гильотинных ножницах; б — на роликовых ножницах; в — дисковыми фрезами; г — штамповкой

Получение монтажных и переходных отверстий в печатных платах

Эта операция является одной из наиболее важных в производстве ПП всех типов, так как:

обеспечивает качество получения токопроводящего слоя в отверстиях после их металлизации и надежность электрических параметров ПП;

327

8. Печатные платы

предельные отклонения центров отверстий относительно узлов коор­ динатной сетки должны составлять ±0,015 мм;

отсутствие деструкции диэлектрика в отверстиях и размазывания (на­ волакивания) смолы по стенкам отверстий, так как это препятствует осаж­ дению меди и приведет к разрыву электрической цепи;

точность сверления отверстий ±(0,12 или 0,08) мм.

Диаметр отверстий под металлизацию должен быть примерно на 0,12 мм больше расчетного, чтобы скомпенсировать толщину осаждаемых меди и металлорезиста. Сложность выполнения операции связана с обработкой в одном технологическом цикле различных по свойствам материалов, таких как медь, алюминий, стекловолокно, смола и др., для каждого из которых требуются разные режимы обработки, и существует большое количество факторов, влияющих на качество полученных отверстий.

Кроме того, повышение плотности монтажа, уменьшение ширины проводников, широкое внедрение технологии поверхностного монтажа, Ml 111 с числом слоев более 50 приводит к необходимости получения глубо­ ких микроотверстий ( 0 0,1.. .0,3 мм), а также глухих отверстий в МПП. По­ этому все больше ужесточаются требования к оборудованию и технологии их изготовления.

В производстве ПП применяют следующие способы получения мон­ тажных и переходных отверстий: сверление на станках с числовым про­ граммным управлением; пробивка (для отверстий, не подлежащих в даль­ нейшем металлизации); лазерное сверление (для отверстий малого диамет­ ра, в том числе глубоких и глухих); травление (для ПП на полиимиде).

Сверление монтажных и переходных отверстий. На качество свер­ ления оказывают влияние конструкция сверлильного станка, геометрия и материал сверла, точность позиционирования, способ закрепления ПП на столе станка, скорость резания, точность осевой подачи при сверлении и обратном ходе сверла, способ удаления стружки и пр. Схема конструкции четырехшпиндельного станка для сверления пакетов заготовок ПП приведе­ на на рис. 8.19.

„Гранитная плита - основание

Рис. 8.19. Схема четырехшпиндельного сверлильного станка

328

8.5.Основные технологические этапы в производстве печатных плат

Впрограммах для сверления монтажных и переходных отверстий предусматривается также:

сверление тестовых отверстий на технологическом поле для проверки качества, размера отверстий, степени заточки сверла;

сверление отверстий для совмещения с фотошаблонами, нанесения паяльной маски и обработки по контуру ПП;

автоматическая смена инструмента и программирование подачи, чис­ ла оборотов и скорости обратного хода;

программирование по оси Z;

совместимость со всеми форматами и системами кодирования.

При сверлении используют шпиндели с воздушными подшипниками и жидкостным охлаждением.

Заготовки ПП, собранные в пакеты по 3 и более штук, скрепленные штифтами или нет, базируют на рабочем столе сверлильного станка. Сверху

иснизу заштифтованных пакетов размещают листы гетинакса или алюми­ ния для исключения отрыва фольги при входе и выходе сверла и пр. Алю­ миниевый материал верхней заготовки действует как втулка для входа свер­

ла под углом 90°, уменьшает заусенцы при сверлении, а также служит теп­ лоотводом для предотвращения нагрева эпоксидной смолы внутри отверстия. Заготовки с малым диаметром отверстий (менее 0,3 мм) сверлят по одной или по две.

Сверлильные станки снабжены механизмом автоматической смены сверл после сверления определенного количества отверстий или после за­ программированного числа рабочих ходов. В магазине механизма смены инструментов для каждой сверлильной головки может храниться 100 и бо­ лее инструментов, что позволяет работать станку несколько часов практиче­ ски без простоев. Сверла из магазинов извлекаются при помощи пневмати­ ческих захватов.

Режимами сверления отверстий являются: скорость резания V — до 180 м/мин;

скорость вращения шпинделя п = 1000... 180 000 об/мин; подача сверл — 0,02.. .0,05 мм/об.

Режимы сверления зависят от диаметра обрабатываемых отверстий, их значения встраивают в программу сверления. Для сверления отверстий 0 0,1...0,5 мм в ПП со сверхузкими печатными проводниками используют сверлильные станки со шпинделями на воздушных подшипниках и микро­ сверла с точностью ±0,003 мм.

Лазерное сверление. При воздействии излучения на обрабатываемую заготовку ПП происходит испарение или взрывное разрушение материала. Лазерным сверлением в ПП могут быть получены сквозные отверстия диа­ метром менее 50 мкм в фольгированных и нефольгированных заготовках

329

8. Печатные платы

ПП, глухие отверстия диаметром до 25 мкм, глубиной менее 50 мкм в одно­ стороннем фольгированном диэлектрике.

Лазерное сверление отверстий ПП осуществляют двумя способами:

с использованием специальной металлической маски с отверстиями, после совмещения которой с заготовкой ПП и воздействия лазерного излу­ чения происходит испарение материала основания ПП в местах расположе­ ния отверстий на маске. Достоинством способа является высокая произво­ дительность, недостатком — необходимость изготовления металлической маски с высокоточными отверстиями малого диаметра и точным их распо­ ложением на поверхности маски;

путем подачи дозированного лазерного излучения импульсами малой длительности в зону формирования отверстий при обходе этих зон по про­ грамме.

Преимущества лазерного сверления: возможность получения сквоз­ ных и глухих отверстий диаметром до 25 мкм; высокое качество краев и стенок отверстий (меди, стекловолокна или полиимида); высокая произво­ дительность (порядка 1200 сквозных отверстий в минуту); низкая стои­ мость; отсутствие деструкции органических материалов.

Подготовка поверхности

Основной целью этапа подготовки поверхности является удаление за­ усенцев, смолы и механических частиц из отверстий, получение необходи­ мой шероховатости поверхности, активирование поверхности перед хими­ ческим меднением, удаление оксидов, масляных пятен, пыли, грязи.

На этом этапе применяют механическую обработку дисковыми щет­ ками, щеточную или струйную обработку абразивами, химическую подго­ товку, электрохимическую обработку, плазмохимическое травление. Каж­ дый из способов подготовки обладает преимуществами и недостатками, по­ этому при выборе того или иного способа обработки необходимо учитывать все параметры ТП.

Металлизация печатной платы

Основным назначением процесса металлизации ПП является получе­ ние токопроводящих участков ПП (проводников, металлизированных отвер­ стий, контактных площадок, концевых разъемов, ламелей и пр.), защита их от растравливания на операции травления меди с пробельных мест и от окисления для обеспечения паяемости ПП. Для получения металлических покрытий в производстве ПП применяют: химическую металлизацию; галь­ ваническую металлизацию; магнетронное напыление.

330

8.5. Основные технологические этапы в производстве печатных плат

Химическая металлизация (меднение) применяется в производстве ПП: для получения тонкого (3...5 мкм) подслоя меди на стенках монтажных и переходных отверстий, чтобы сделать их диэлектрические поверхности токо­ проводящими; в аддитивном методе — для получения токопроводящих уча­ стков селективным меднением (слой меди толщиной порядка 35 мкм).

Химическое меднение — окислительно-восстановительный автокаталитический процесс, в котором в качестве катализатора на начальном этапе выступает металлический палладий, а затем осажденные кристаллы меди катализируют дальнейшее выделение меди, и процесс протекает самопроиз­ вольно. Основные требования к химически осажденной меди:

полное покрытие стенок отверстий для исключения разрыва электри­ ческих цепей;

хорошая адгезия слоя химической меди к диэлектрику основания для обеспечения стойкости к термоудару при пайке и перепайке.

Заготовки ПП устанавливают при помощи технологических отверстий в подвески для химического меднения, изготовленные из коррозионностойкой стали, фторопласта, титана или полипропилена, и помещают на ли­ нию химического меднения, состоящую из нескольких ванн для подготовки поверхности и химического меднения, в каждую из которых подвески с за­ готовками перемещаются по программе автооператором. Ванна для химиче­ ского меднения имеет устройства поддержания температуры, барботирования для перемешивания раствора воздухом, фильтрации, возвратно­ поступательного перемещения заготовок для прокачивания раствора через отверстия, чтобы обеспечить полное покрытие стенок отверстий медью.

Процесс химического меднения проходит со скоростью металлизации 3...4 мкм/ч. Для него характерны: длительный срок службы раствора (10...12 месяцев), стабильность и экономичность раствора, простота утилизации от­ работанных растворов, минимальное влияние на окружающую среду.

При изготовлении ПП аддитивным методом при толстослойном хи­ мическом меднении (25...35 мкм) необходима постоянная корректировка раствора, контролируемая автоматизированной системой дозирования ком­ понентов электролита по результатам, полученным с датчиков-анализаторов их концентраций.

Гальваническая металлизация в процессе изготовления ПП осуще­ ствляется несколько раз.

1. Предварительное гальваническое меднение для защиты тонкого слоя химической меди от повреждения, улучшения адгезии и структуры осадка, (толщина слоя меди 5...7 мкм).

2. Гальваническое меднение для получения основного токопрово­ дящего слоя меди в монтажных и переходных отверстиях, на проводниках и контактных площадках (толщина 20...25 мкм).

331