26 Лекция №25. Способы формирования печатного рисунка. Технологические этапы производства пп
Продолжительность: 2 часа (90 мин.)
26.1 Основные вопросы
- субтрактивный, аддитивный, полуаддитивный и комбинированный методы формирования печатного рисунка;
- обеспечение избирательности травления и/или осаждения металла;
- этапы ТП изготовления ПП (получение заготовок, металлизация, травление).
26.2 Текст лекции
26.2.1 Способы формирования печатного рисунка – до 30 мин
Для изготовления элементов проводящего рисунка ПП применяются две технологии: субтрактивная и аддитивная (рис. 26.1).
Субтрактивный метод — получение проводящих рисунков путем избирательного травления участков фольги с пробельных мест.
Аддитивный метод — получение проводящего рисунка путем избирательного осаждения проводникового материала на нефольгированный материал основания.
Также используют полуаддитивный и комбинированный методы.
Рисунок 26.1 – Методы получения печатного рисунка ПП.
Субтрактивный метод наиболее освоен. В качестве исходного материала используются фольгированные изоляционные материалы. После переноса рисунка печатных проводников в виде стойкой к растворам травления пленки на фольгированную основу, незащищенные ею места химически стравливаются. Защитную пленку наносят методами фотолитографии, трафаретной, офсетной печати и т.п.
Достоинства субтрактивного метода – высокая производительность, низкая себестоимость. Недостатки – большой расход меди, боковое подтравливание печатных проводников, загрязнение окружающей среды из-за образования больших объемов отработанных травильных растворов.
В чистом виде химический субтрактивный методреализуется при производстве некоторых видов ОПП, в которых отсутствует металлизация сквозных отверстий, а также как метод изготовления отдельных слоев МПП.
Вместо химического травления может использоваться механическое удаление фольги при помощи режущего инструмента (механическое оконтуривание проводников) и лазерное гравирование.
В первом случае скрайбирование ведется коническими фрезами. Метод отличается коротким технологическим циклом изготовления, малой капиталоемкостью, не создает экологических проблем, но ПП получаются дороже из-за большого расхода фрез и время изготовления более длительное. В серийном производстве этот метод не используют.
Лазерное гравирование ведется ультрафиолетовыми лазерами, способными испарять медь фольги и минимально травмировать диэлектрическую подложку. Этот метод высокопроизводителен, но мало используется из-за высокой стоимости оборудования.
Аддитивные методыпредполагают использование нефольгированных диэлектрических оснований, на которые тем или иным способом, избирательно (там, где нужно) наносят токопроводящий рисунок. Разновидности метода определяются способами металлизации и ее избирательностью.
Токопроводящие элементы рисунка можно создать:
химическим восстановлением металлов на катализированных участках диэлектрического основания (толстослойная химическая металлизация);
переносом рисунка, предварительно сформированного на металлическом листе, на диэлектрическую подложку (метод переноса);
выштамповыванием проводников;
нанесением токопроводящих красок или паст;
вакуумным или ионноплазменным напылением.
Избирательность осаждения металла можно обеспечить:
масочной защитой (маска может получаться фотоспособом, наноситься трафаретной или офсетной печатью и т.п.);
трафаретной печатью (для паст и красок);
избирательным фотоочувствлением катализатора, предварительно нанесенного на всю поверхность основания (для толстослойной химической металлизации).
Полуаддитивный метод (химико-гальванический) – основную толщину проводящего покрытия печатного рисунка получают гальванической металлизацией. Токопроводящее основание для гальванического осаждения меди получают одним из двух способов:
предварительным тонкослойным (1…5 мкм) химическим меднением по всей поверхности ПП;
использованием в качестве заготовки фольгированного диэлектрика с тонкомерной фольгой.
Удаление тонкого подслоя меди с пробельных участков при полуаддитивном способе происходит химическим травлением.
Основной метод получения печатного рисунка – комбинированный – дорожки получают методом травления фольгированного диэлектрика, а затем проводится химико-гальваническая металлизация сквозных отверстий.
26.2.2 Начальные этапы технологического процесса изготовления ПП – до 60 мин
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. Проводят раскрой листа на полосы и каждой полосы — на отдельные заготовки. На заготовке предусматривают технологическое поле, на котором располагают базовые (фиксирующие) и технологические отверстия и тест-купон (рис. 26.2). Тест-купон служит для оценки качества изготовления ПП, проходит с ней все технологические операции и отделяется перед испытаниями. Базовые и технологические отверстия получают пробивкой или сверлением.
Рисунок 26.2 – Заготовка ПП: 1 – ПП, 2 – технологическое поле, 3 – базовые отверстия, 4 – технологические отверстия, 5 – тест-купон.
Получение монтажных и переходных отверстий в печатных платах– . является одной из наиболее важных операций в производстве ПП всех типов, так как обеспечивает качество получения токопроводящего слоя в отверстиях после их металлизации; обеспечивает точность совмещения токопроводящих рисунков схемы, расположенных на противоположных сторонах ДПП или разных слоях МПП. Брак на этой операции является необратимым.
В связи с этим к качеству выполнения отверстий предъявляют высокие требования по точности размерных параметров, отверстия должны быть с гладкими стенками, без заусенцев, отсутствие деструкции диэлектрика в отверстиях и размазывания (наволакивания) смолы по стенкам отверстий. Диаметр отверстий под металлизацию должен быть больше расчетного, чтобы скомпенсировать толщину осаждаемых меди и металлорезиста.
В производстве ПП применяют следующие способы получения монтажных и переходных отверстий: сверление на станках с числовым программным управлением; пробивка (для отверстий, не подлежащих в дальнейшем металлизации); лазерное сверление (для отверстий малого диаметра, в том числе глубоких и глухих); травление (для ПП на полиимиде). 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.
Основной целью этапа подготовки поверхности является удаление заусенцев, смолы и механических частиц из отверстий, получение необходимой шероховатости поверхности, активирование поверхности перед химическим меднением, удаление оксидов, масляных пятен, пыли, грязи. На этом этапе применяют механическую обработку дисковыми щетками, щеточную или струйную обработку абразивами, химическую подготовку, электрохимическую обработку, плазмохимическое травление.
Получение защитного рельефазаключается в процессе переноса изображения рисунка печатных проводников на материал основания ПП, который осуществляют фотохимическим, сеткографическим, офсетным способом и др. Выбор способа получения защитного рельефа зависит от класса точности ПП.
Фотохимический способ позволяет получить проводники и зазоры между ними порядка 0,1 мм с точностью ±0,03 мм и используется для ПП выше 3-го класса точности серийном производстве. Процесс получения защитного рельефа состоит из следующих этапов: на поверхность заготовки ПП наносят фоторезист, устанавливают фотошаблон, проводят экспонирование рисунка схемы, в результате которого происходит полимеризация фоторезиста под действием УФ-излучения, проявляют изображения рисунка.
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).
Офсетный способ нанесения защитного рельефа включает следующие 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 производительность, возможность автоматизации процесса, тиражеспособность; недостатком — низкая по сравнению с другими способами точность получения рисунка.
Основным назначением процесса металлизации ПП является получение токопроводящих участков ПП (проводников, металлизированных отверстий, 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; гальваническую металлизацию; магнетронное напыление.
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 токопроводящими; в аддитивном методе — для получения токопроводящих участков 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 самопроизвольно.
Основные требования к химически осажденной меди:
полное покрытие стенок отверстий для исключения разрыва электрических цепей;
хорошая адгезия слоя химической меди к диэлектрику основания для обеспечения стойкости к термоудару при пайке и перепайке.
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 отработанных растворов, минимальное влияние на окружающую среду.
Гальваническая металлизацияв процессе изготовления ПП осуществляется несколько раз:
предварительное гальваническое меднение для защиты тонкого слоя химической меди от повреждения, улучшения адгезии и структуры осадка, (толщина слоя меди 5...7 мкм);
гальваническое меднение для получения основного токопроводящего слоя меди в монтажных и переходных отверстиях, на проводниках и контактных площадках (толщина 20...25 мкм);
гальваническое осаждение металлорезиста (защитного травильного резиста на операции травления) на проводники, контактные площадки, в монтажные отверстия, для защиты на операции травления меди с пробельных мест;
гальваническое осаждение металлов и сплавов на концевые разъемы ПП для повышения износостойкости, твердости, снижения переходного сопротивления и пр.
В качестве металлорезиста в производстве ПП применяют золото, никель-золото, серебро, олово, свинец, олово-свинец, олово-никель, олово-висмут, олово-цинк и др. Широкое применение имеет металлорезист на основе сплава олово-свинец (ОС), который используют в качестве металлорезиста на операции травления меди с пробельных мест или как металлорезист и покрытие, обеспечивающее после оплавления паяемость ПП.
На рисунке 26.3 представлена структура элемента печатного рисунка.
Рисунок 26.3 – Структура элемента печатного рисунка: 1 – основание ПП; 2 – медная фольга; 3 – химическая (1,5...2,5 мкм) и предварительно осажденная гальваническая медь (5...7 мкм); 4 – гальваническая медь (25 мкм); 5 – сплав олово-свинец (9... 12 мкм).
Травление меди с пробельных мест. Травление — химический процесс удаления меди с незащищенных резистом участков. Результатом выполнения этой операции является рисунок печатных элементов (проводников, контактных площадок и пр.), точность выполнения которых влияет на электрические характеристики ПП. Следует учитывать, что брак на этой операции (растравливание проводников, уменьшение ширины, площади поперечного сечения, подтравливание проводников и пр.) является необратимым. Одним из дефектов при травлении является боковое подтравливание проводников и контактных площадок (рис. 26.4). Величина подтравливания составляет примерно 70 % от толщины медного слоя, что приводит к зауживанию проводников и нависанию травильного резиста.
Рисунок 26.4 – Сечение проводника после травления: 1 – ширина проводника по рабочему фотошаблону; 2 – материал основания; 3 – разрастание; 4 – нависание; 5 – подтравливание; 6 – проводник; 7 – осаждение металла; 8 – ширина проводника.
В качестве травильных резистов применяют:
краску, которая наносится сеткографическим способом;
фоторезист (СПФ или жидкий) — фотохимический способ нанесения;
металлорезист (олово-свинец, олово, свинец, золото и др.), который наносится электрохимическим способом.
Заготовки ПП размещают на установки струйного травления, в которых участки меди, незащищенные травильным резистом, вытравливаются электролитом, и на заготовках остаются только токопроводящие участки в соответствии с фотошаблоном или трафаретом.