книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

8.Печатные платы

3.Гальваническое осаждение металлорезиста (защитного травильного резиста на операции травления) на проводники, контактные площадки, в мон­ тажные отверстия, для защиты на операции травления меди с пробельных мест.

4.Гальваническое осаждение металлов и сплавов на концевые разъемы ПП для повышения износостойкости, твердости, снижения переходного сопротивления и пр.

Гальваническое осаждение покрытий проводится в ваннах с электролитом, в которые погружают заготовки ПП, предварительно закрепленные в специальных подвесках. Полученное гальваническое покрытие должно быть:

сплошным, без пор, включений, разрывов, раковин; заданной конфигурации; пластичным, чтобы обеспечить устойчивость

кперегибам, короблению ПП, воздействию ударов и вибраций;

элементы токопроводящего рисунка, сформированные гальваниче­ скими процессами, должны иметь ровные края, не иметь разрывов, темных пятен, вздутий, отслоений;

неровности по краю не должны уменьшать их минимально допусти­ мые размеры и расстояния между ними, так как это связано с электричес­ кими параметрами ПП, такими, как минимально допустимая плотность тока и напряжение (в противном случае может произойти перегрев проводников или пробой диэлектрика);

равномерным по толщине на поверхности и в отверстиях ПП, что связано с обеспечением заданных электрических характеристик (мини­ мально допустимой плотности тока) и экономическими соображениями, так как для того чтобы получить слой заданной толщины на стенках от­ верстий, необходимо осаждать больший по толщине слой металла или сплава на поверхность ПП, а это связано с лишними затратами электро­ энергии и химикатов.

Важным в этом процессе является получение равномерного покрытия. Повысить равномерность гальванических покрытий можно путем:

параллельного расположения заготовок ПП относительно анодов; увеличения расстояния между анодом и катодом (до 180 мм); повышения рассеивающей способности электролита; применения нестационарных режимов осаждения (например, реверса

тока);

применения ультразвуковых колебаний при осаждении; применения экранов, закрывающих периферийные участки заготовки ПП;

применения поверхностно-активных веществ, повышающих рассеи­ вающую способность электролита;

перемешивания, барботирования воздухом электролитов, возвратно­ поступательного перемещения подвесок с заготовками, в результате кото­ рых изменяется концентрационная поляризация электродов и пр.

332

8.5. Основные технологические этапы в производстве печатных плат

Гальваническое меднение предна­ значено для осаждения слоя меди, яв­ ляющегося основным токопроводящим слоем в структуре печатных элементов ПП — проводников, коммутационных элементов и пр. (рис. 8.20).

Помимо общих требований к гальваническим покрытиям, перечис­ ленным выше, гальваническая медь должна отвечать также следующим требованиям:

металлизация на поверхности и в отверстиях ПП должна быть сплошной;

цвет осадка меди — светло-розовый; относительное удлинение меди — не менее 6 %; предел прочности на разрыв — не менее 20 кг/мм2; удельное сопротивление — 0,0172 Ом • мм2/м;

толщина слоя меди в монтажных и переходных отверстиях — не ме­ нее 25 мкм;

осадок меди должен иметь мелкозернистую структуру, так как он в зна­ чительной степени определяет структуру осаждаемого на медь металлорезиста и его защитные свойства на операции травления меди с пробельных мест.

Гальваническое осаждение металлорезиста осуществляют для за­ щиты проводников, контактных площадок и металлизированных отвер­ стий при проведении операции травления меди с пробельных мест. В ка­ честве металлорезиста в производстве ПП применяют золото, никельзолото, серебро, олово, свинец, олово-свинец, олово-никель, олововисмут, олово-цинк и др.

Широкое применение имеет металлорезист на основе сплава оловосвинец (ОС), который используют в качестве металлорезиста на операции травления меди с пробельных мест или как металлорезист и покрытие, обеспечивающее после оплавления паяемость ПП.

При гальваническом осаждении металлов и сплавов концевые кон­ такты ПП должны иметь минимальные и стабильные переходные сопро­ тивления в месте контакта при эксплуатации и высокую износостойкость и твердость. Выполнение перечисленных требований, а также защита контак­ тов от окисления обеспечивает гальваническое осаждение на контакты бла­ городных металлов — золота, серебра, палладия и их сплавов. При выборе соответствующего покрытия учитывают тип контакта (подвижный, непод­ вижный), контактное давление, конструкцию контактной пары, электриче­

333

8. Печатные платы

скую нагрузку (сила тока, напряжение), условия эксплуатации (влажность, пыль, газы и т. д.), долговечность, надежность.

получение защитного рельефа

Нанесение защитного рельефа заключается в процессе переноса изобра­ жения рисунка печатных проводников на материал основания ПП, который осуществляют фотохимическим, сеткографическим, офсетным способом и др.

Защитный рельеф может быть негативным и позитивным.

Выбор способа получения защитного рельефа зависит от класса точ­ ности ПП, ширины проводников и расстояний между ними, размеров кон­ тактных площадок, точности получения размеров печатных элементов.

Фотохимический способ позволяет получить проводники и зазоры между ними порядка 0,1 мм с точностью ±0,03 мм. Процесс получения за­ щитного рельефа состоит из следующих этапов:

-на поверхность заготовки ПП наносят фоторезист — фотополимерный материал, чувствительный к ультрафиолетовому (УФ) излучению (рис. 8.21);

-устанавливают фотошаблон, реперные знаки (перекрестия) которого совмещаются под микроскопом с центрами фиксирующих (базовых) отвер­ стий заготовки ПП;

-проводят экспонирование рисунка схемы, в результате которого происходит полимеризация фоторезиста под действием УФ-излучения на участках ПП, которые находились под прозрачными частями фотошаблона;

-проявляют изображения рисунка.

Применяют фоторезисты негативные и позитивные, которые в свою очередь делятся на жидкие и сухие пленочные (СПФ). При использовании негативных фоторезистов экспонированные области заготовки ПП остаются на плате, а неэкспонированные вымываются при проявлении. В случае ис­ пользования позитивных фоторезисторов экспонированные участки вымы­ ваются при проявлении.

Жидкие фоторезисторы просты в приготовлении и применении, не­

У Ф -и злу ч е н и е

С П Ф ,

Ф отош аблон

г~ Медь

П ла та

Рис. 8.21. Фотохимический способ нанесения защитного покрытия

334

8.5. Основные технологические этапы в производстве печатных плат

по разрешающей способности).

Сухие пленочные фоторезисты состоят из трех слоев: защитной поли­ этиленовой пленки, среднего слоя, чувствительного к УФ-излучению, и опти­ чески прозрачной лавсановой пленки, предназначенной для защиты фоторези­ ста от окисления на воздухе. СПФ накатывают на поверхность ПП валиком, нагретым до 100... 120 °С на установках для ламинирования (ламинаторах). При этом полиэтиленовая пленка наматывается на бобину, как это показано на схеме, поясняющей устройство ламинатора (рис. 8.22).

После нанесения СПФ платы выдерживают 30 мин при комнатной температуре в помещении с желтым светом («неактиничное освещение») для снятия внутренних напряжений в пленке. Экспонирование проводят че­ рез прозрачную лавсановую пленку так же, как и для жидких фоторезистов, применяя ультрафиолетовый источник света (ртутно-кварцевые лампы). Продолжительность экспонирования определяется опытным путем и со­ ставляет обычно 15...20 с. После экспонирования заготовка платы выдержи­ вается 30 мин в затемненном месте для завершения процесса полимериза­ ции засвеченных участков.

Проявление изображения рисунка проводят в установках струйного типа в растворе метилхлороформа в течение 1— 2 мин. Удаление фоторези­ ста осуществляют распылением растворителя хлористого метилена под дав­ лением 0,3...0,4 МПа. После проявления желательна промывка водой.

Фотохимический способ получения рисунка обеспечивает высокую точность рисунка и используется для ПП выше 3-го класса точности в мел­ косерийном и серийном производствах.

335

8.Печатные платы

Кдостоинствам СПФ следует отнести высокую разрешающую спо­ собность (возможно получать ширину проводников и зазоры между ними размерами до 0,05...0,1 мм), высокую стойкость в травильных растворах и электролитах гальванического меднения и нанесения сплава олово-свинец и олова, исключение попадания (затекания) фоторезиста в отверстия. Недос­ татками СПФ являются: выделение при ламинировании токсичных хлори­ стого метилена и трихлорэтилена, наличие внутренних напряжений и уса­ дочных процессов в пленке.

Широкое применение нашли СПФ марок СПФ-1, СПФ-2 (ТУ6-17-359-77) толщиной 20, 40 и 60 мкм (чем больше толщина, тем ниже разрешающая способность из-за «теневого эффекта»); СПФ-АС (ТУ6-17-691-83) для ПП высокого класса точности с повышенной разрешающей способностью; СПФ-В (ТУ АЛО-31-10), ТФПК (ТУ61 У0.037.074), СПФ-ВЩ (ТУ16-503- 244-84) — фоторезисты водощелочного проявления для исключения ток­ сичных растворителей.

Для экспонирования фоторезиста можно применять лазерную уста­ новку. При этом рисунок схемы получают без применения фотошаблона, что исключает боковую подсветку проводников и смещение рисунка в ре­ зультате усадки пленочных фотошаблонов.

Сеткографический способ заключается в получении изображения рисунка схемы при помощи трафаретных красок, которые наносят на ПП через сетчатый трафарет путем продавливания их ракелем (резиновой лопаткой) (рис. 8.23).

Сетчатые трафареты изготавливают из синтетических тканей, из металлических сеток (латунь, бронза, коррозионно-стойкая сталь) и из комбинированных сеток, в которых металлическая центральная часть, соответствующая размеру рабочего поля, вклеивается в натянутую на раму капроновую ткань клеем, например, «Адгезив-2В» или клеем «Ви- ланд-5К» (ТУ6-0,5-221-1-77), а капрон под металлической сеткой удаля­ ют концентрированной азотной кислотой. Сетка равномерно натягивает­ ся в раме с заданным усилием. Для получения рисунка трафарета приме­ няют прямой или косвенный способы. При прямом способе на натянутые сетки наносится фоторезист типа ФСТ (ТУ610-028-029) или композиция «Фотосет-Ж» и получают изображение схемы фотохимическим способом

Основание ПП

Рис- 8.24. Сеткографический способ нанесения защитного слоя

336

8.5. Основные технологические этапы в производстве печатных плат

(экспонирование через ФШ, проявление, дубление, промывка, обезжири­ вание).

При косвенном способе рисунок схемы переносится на сетку с пле­ ночных материалов, таких как пленка СПФ, пигментная бумага (ТУ29-01- 06-70) и др. Достоинством косвенного метода является высокое качество изображения, недостатком — низкая тиражестойкость трафарета (до 600 оттисков), длительность процесса его изготовления.

Сетки, применяемые для сеткографического способа, характеризуются размером стороны ячейки, числом отверстий на 1 см2 и пр.

Офсетный способ нанесения защитного рельефа включает следую­ щие операции:

изготовление клише с изображением рисунка схемы; нанесение на клише краски; перенос изображения рисунка с клише на резиновый валик;

накатка резиновым валиком изображения рисунка на заготовку ПП. Достоинствами этого способа являются высокая производитель­

ность, возможность автоматизации процесса, тиражеспособность; недос­ татком — низкая по сравнению с другими способами точность получения рисунка.

Нанесение защитной паяльной маски

Защ итная паяльная м аска наносится на всю поверхность ПП за исключением контактных площадок и металлизированных отверстий, ко­ торые при групповых процессах пайки элементов будут контактировать с расплавленным припоем. Таким образом обеспечивается значительная экономия припоя, так как припой во время пайки не осаждается на печат­ ные проводники.

Защитные маски наносят сеткографическим способом (для ПП общего применения) с использованием эпоксидных композиций или фотохимичес­ ким способом, например, с применением СПФ (для прецизионных ПП). Точность нанесения защитной паяльной маски сеткографическим способом составляет ±0,4 мм. Такая низкая точность трафаретной печати объясняется тем, что необходимо обеспечить определенное расстояние между ПП и тра­ фаретом для получения четкого несмазанного изображения. Наличие этого зазора приводит к прогибу трафарета во время продавливания маски через него и ограничивает точность нанесения.

Точность нанесения защитной маски фотохимическим способом как при нанесении рисунка и составляет ±0,1 мм. Возможны два способа нане­ сения паяльной маски:

337

8. Печатные платы

после операции оплавления сплава олово-свинец — этот процесс на­ зывается «маска поверх оплавленного припоя», или «solder mask over tinlead» (SMOTL-процесс);

после удаления травильного резиста с токопроводящих участков. Этот процесс называется «маска поверх открытой меди», или «solder mask over bare copper» (SMOBC-процесс).

В первом случае при пайке элементов волной припоя происходит рас­ плавление припоя, находящегося под маской, а также вспучивание и разру­ шение самой защитной маски. Кроме того, существует вероятность образо­ вания перемычек припоя между соседними проводниками при высокой плотности монтажа.

Во втором случае таких проблем не существует, так как под защитной маской нет припоя. Преимуществом SMOTL-процесса является более на­ дежная защита проводников оплавленным припоем, которая необходима для ПП, работающих в условиях повышенной влажности.

ПП для поверхностного монтажа обычно изготавливают по SMOBSтехнологии. Это связано с высокой плотностью монтажа, необходимостью пре­ дотвращения растекания маски и ее смещения на контактные площадки. При­ менение SMOBS-процесса связано также с жесткими экологическими ограни­ чениями по свинцу, необходимостью очистки отработанной воды при приме­ нении свинца и затратами на приобретение соответствующего оборудования.

338

8.5. Основные технологические этапы в производстве печатных плат

/

Рис. 8.25. Схема системы модульного травления:

I — загрузка ПП; 2 — камера струйного травления; 3 — отмывка; 4 — сушка; 5 — разгрузка; 6 — ПП; 7— конвейер

приводит к зауживанию проводников и нависанию травильного резиста. Эти явления необходимо учитывать при конструировании, в частности, при выборе толщины медной фольги. Применение материалов с тонко* мерной медной фольгой (5 мкм) значительно снижает боковое подтравливание.

В качестве травильных резистов применяют: краску, которая нано­ сится сеткографическим способом; фоторезист (СПФ или жидкий) — фото­ химический способ нанесения; металлорезист (олово-свинец, олово, свинец, золото и др.), который наносится электрохимическим способом.

Заготовки ПП размещают на установки струйного травления, в ко­ торых участки меди, незащищенные травильным резистом, вытравлива­ ются электролитом, и на заготовках остаются только токопроводящие участки в соответствии с фотошаблоном или трафаретом. В качестве тра­ вящего электролита широко применяют кислые и щелочные растворы хлорной меди, растворы на основе хлорного железа, растворы на основе персульфата аммония, железо-медно-хлоридные растворы. Процесс трав­ ления происходит, как правило, в специальных модульных установках, устройство которых схематически приведено на рис. 8.25. В модулях ще­ лочного травления осуществляется автоматический контроль величины pH раствора, а в модулях кислотного травления производится регенера­ ция раствора на основе хлорида меди.

Оплавление

При проведении операции оплавления осуществляется: превращение пористого гальванического покрытия олово-свинец (ОС) в мелкозернистое покрытие; защита боковых стенок проводников от коррозии и элекгрокор-

339

8. Печатные платы

Рис. 8.26. Печатный проводник до и после выполнения операции оплавления:

/ — проводник; 2 — сплав олово-свинец

розии; повышение коррозионной стойкости покрытия; повышение способ­ ности к пайке и увеличение срока сохранения паяемости ПП; устранение «навесов» металла по кромкам проводников; исключение из технологиче­ ского процесса операции горячего облуживания. На рис. 8.26 представлен печатный проводник до и после выполнения операции оплавления.

Применяют жидкостное или инфракрасное (ИК) оплавление. ИК-оплав­ ление экологичнее, пожаробезопаснее и чище жидкостного оплавления.

Обработка по контуру

При выполнении этой операции удаляется технологическое поле,

ППприобретает размеры, заданные в конструкторской документации. Обработка по контуру осуществляется штамповкой, фрезерованием; об­ работкой дисковой или алмазной пилой; лазерной обработкой (для пре­ цизионных ПП).

Гетинакс и стеклотекстолит штампуют, как и при получении загото­ вок ПП с подогревом или без него. Предельная толщина заготовок, штам­ пуемых без подогрева: гетинакс всех марок при вырубке ПП простой формы — 1,5 мм, сложной формы — 1 мм; стеклотекстолит всех марок при вырубке

ППпростой формы — 2 мм, сложной формы — 1,5 мм. При толщине мате­ риала, превышающей указанную, необходим подогрев заготовок.

Фрезерование по контуру ПП применяют для обработки контура сложного профиля и в случаях, когда не допускаются сколы и просветления. Фрезерование контура ОПП и ДПП осуществляют в пакете толщиной не более 30 мм, МПП — не более 15 мм в специальных приспособлениях, что позволяет получить более высокую точность по сравнению со штамповкой.

Прессование

Операция прессования, т. е. соединения отдельных сигнальных слоев (односторонних и двусторонних) в монолитную конструкцию при

340

8.5.Основные технологические этапы в производстве печатных плат

Изоляционная

прокладка

Экранирующий

слой

Прокладочная

стеклоткань

Рис. 8.27. Пакет МПП для прессования

помощи склеивающих прокладок осуществляется в ТП получения много­ слойных ПП. Прессование всех сигнальных слоев осуществляется одно­ временно с помощью прокладочной стеклоткани (препрег), пропитанной недополимеризованной термореактивной смолой в пресс-форме. Прессформа состоит из двух стальных плит; в нижней плите имеется не­ сколько штырей для фиксации и базирования пакета слоев МПП при прессовании.

Пакет МПП (рис. 8.27) состоит из заготовок сигнальных слоев, пе­ реложенных прокладочной стеклотканью, расположенных в середине па­ кета, а также из нескольких слоев кабельной бумаги и электроизоляци­ онной триацетатной пленки, прилегающих к верхней и нижней плите пресс-формы [30].

В процессе прессования измеряется объемное сопротивление изоля­ ции для определения момента приложения высокого давления (т. е. второй ступени удельного давления). Этот момент соответствует минимальному значению объемного сопротивления диэлектрика, полному расплавлению смолы и началу периода гелеобразования.

Цикл прессования состоит из следующих этапов (рис. 8.28):

аЪ — нагрев пакета до температуры прессования Т = 175 ± 5 °С при низком давлении (первой ступени), равном 0,05...0,1 МПа (датчики контроля температуры расположены в плитах пресса);

341