Лекция 7

Тема. Технологии изготовления многослойных печатных плат

Конструкторско-технологические варианты и особенности изготовления многослойных печатных плат

Миниатюризация электронных устройств (ЭУ) невозможна без совершенствования технологии изготовления печатных плат (ПП), именно ей обязаны своим появлением многослойные печатные (или коммутационные) платы (соответственно МПП или МКП, то есть платы с многоуровневой разводкой коммутации). Объем ЭУ, для которых необходимы МПП, постоянно увеличивается. В частности, в системах коммуникации используются МПП, содержащие не менее 4-х слоев коммутации; МПП, содержащие не менее 6…10 слоев, нужны для ЭУ измерительной и медицинской техники; в производстве ЭВМ в настоящее время необходимы 12…18-тислойные платы. Это связано с тем, что наряду с требованиями миниатюризации, вычислительная техника интенсивно развивается в направлении повышения функциональных возможностей ЭВС, а вынужденное удлинение межсоединений в ЭВМ (из-за недостаточно коротких коммутирующих трактов) приводит к потере более 30% потенциального быстродействия ЭВМ и этим объясняется постоянный рост спроса на МПП (несмотря на то, что их стоимость в 3…10 раз выше стоимости ДПП).

Структура МПП, как монолитного коммутационного узла, состоит из чередующихся слоев токопроводящих элементов и изолирующих прослоек.

Таким образом, использование МПП в ЭУ позволяет:

 увеличить плотность монтажа компонентов на таких платах и общую плотность монтажа устройств на МПП;

 реализовать самые короткие межсоединения, что важно для повышения быстродействия, уменьшения волнового сопротивления и улучшения электрофизических параметров ЭУ;

 увеличить количество используемых при сборке и монтаже навесных компонентов, в том числе с самым высоким уровнем интеграции (т. е. СБИС, УБИС), так как наружные плоскости МПП служат для монтажа компонентов (на поверхности плат), а внутренние для общей коммутации (т. е. все межсоединения могут выполняться в некотором объеме);

 уменьшить количество паянных соединений (за счет повышенных возможностей оптимизации трассировки);

 осуществить размещение земляных слоев в объеме платы между любыми другими слоями, что обеспечивает экранирование части схемы от внешних или внутренних воздействий; при этом земляные слои могут быть соединены с разными конструктивами ЭУ, обеспечивая теплоотвод;

 увеличить количество слоев коммутации при несущественном возрастании толщины МПП, тем самым заметно увеличить функциональную нагрузку изделия;

 улучшить устойчивость к воздействию окружающей и внешней сред вследствие замоноличивания коммутирующих элементов в объеме платы (т. е все электропроводящие дорожки и межслойная коммутация могут быть размещены в массе монолитного диэлектрика).

Технология МПП базируется, в основном, на тех же процессах металлизации и получения рисунка коммутации, что и ДПП (иногда и ОПП). Однако, требования к размерам элементов коммутации и электрическим параметрам МПП часто бывают на порядок выше, что требует усложнения технологии выполнения многих операций. Кроме того, производство МПП характеризуется применением ряда специфических технологий, например, таких, как формирование монолитной структуры платы (т.е. замоноличивания структуры), создания межслойной коммутации, контроля и испытаний и др. Выбор технологии изготовления МПП определяется следующими факторами:

 числом слоев коммутации;

 надежностью коммутации и межслойных соединений;

 плотностью коммутации;

 формой и шагом выводов навесных компонентов, для которых изготавливаются знакоместа на МПП;

 ремонтопригодностью и возможностью внесения изменений при формировании коммутации;

 технологичностью;

 возможностью автоматизации процессов изготовления, их контроля и управления;

 совместимостью с технологиями изготовления ОПП и ДПП;

 себестоимостью производства;

 длительностью производственного цикла;

 требованиями производственной и экологической безопасности и возможностью регенерации технологических сред;

 возможностью автоматизации сборки и монтажа компонентов на таких МПП.

Требования, предъявляемые к ЭУ, такие как надежность, малые массогабаритные показатели, обеспечение теплоотводов, оптимальное резервирование, контролепригодность, экономичность конструкции и др., определили появление многочисленных конструкторско-технологических вариантов реализации МПП (более 200 вариантов). Причем с появлением новых технологий (металлизации, формирования межслойной коммутации, создания монолитной структуры МПП и др.), материалов (неорганических и органических гибких и жестких, а также их различных сочетаний) и конструкторско-технологических решений (удовлетворяющим требования по разработке перспективных ЭВС), количество вариантов реализации МПП постоянно увеличивается, а отличия между ними носят поликритериальный характер (например, отличия в формировании межслойной коммутации и в создании многослойной структуры; в технологии металлизации, межслойной коммутации и формировании структуры МПП и т. д.), то есть варианты отличаются между собой по двум и более критериям, что затрудняет классификацию конструкторско-технологических вариантов МПП. Целесообразно рассмотреть отличия конструкторско-технологических вариантов МПП (МКП) по наиболее важным критериям, существенно влияющим на качество и надежность готовых изделий. В частности, метод создания межслойной коммутации (рис. 7.1); технология формирования коммутационных слоев и технология формирования многослойной монолитной структуры. Часто эти критерии используются в названиях конструкторско-технологических вариантов МПП (рис. 7.2).

Анализ методов создания межслойных соединений в МПП показывает, что при использовании объемных деталей (см. рис. 7.1, а) возникают трудности автоматизации, повышается трудоемкость изготовления плат, снижается надежность коммутации, поэтому применение таких методов ограничено. Метод металлизации (преимущественно с использованием химико-гальванической технологии) сквозных отверстий (см. рис. 7.1, б) наиболее широко используется отечественными и зарубежными предприятиями изготовителями МПП (более 80% всех МПП, производимых в мире, изготавливаются с применением данного метода), так как он хорошо освоен; позволяет повысить плотность коммутации; снизить продолжительность технологического цикла; создать конструкцию МПП с наиболее оптимальной структурой коммутации, обеспечивающей надежную передачу наносекундных импульсов и распределение питания между конструктивами ЭВС; обеспечивает короткие линии связей; возможность экранирования требуемых электрических цепей. Метод межслойной коммутации заливкой припоем отверстий с открытыми контактными площадками (рис. 7.1, в) характеризуется коротким циклом и минимальной трудоемкостью изготовления МПП, наименьшей погрешностью совмещения слоев коммутации, минимальными паразитными связями между слоями коммутации. Однако, при этом усложняются сборка и монтаж компонентов на таких платах (так как требуется сложная (разновысотная) формовка выводов компонентов); сам процесс изготовления многослойной структуры плохо поддается автоматизации; не обеспечивается высокая плотность коммутации и увеличиваются массогабаритные показатели готовых плат.

Как и в предыдущем случае, метод межслойной коммутации с помощью выступающих выводов в виде полосок фольги, являющихся продолжением проводящих дорожек внутренних слоев МПП (см. рис. 7.1, г), не позволяет увеличить плотность коммутации, уменьшить массогабаритные показатели изделия, снизить трудоемкость изготовления плат (так как их производство плохо поддается автоматизации). Вместе с тем, механическая прочность и надежность межслойной коммутации может быть высокой при использовании фольги (для внутренних слоев коммутации) толщиной не менее 100 мкм. Выступающие в окна (в отверстия) полоски фольги отгибаются и протягиваются через отверстия, а затем закрепляются на внешних проводящих площадках с помощью контактных колодок, устанавливаемых на клей (хотя возможны и другие способы их закрепления, например, припаиванием).

Рис. 7.1. Методы формирования межслойной коммутации в производстве МПП: а установкой штифта (или пустотелой заклепки, или других деталей, покрытых легкоплавкими сплавами) и последующей его пропайкой; бметаллизацией отверстий; взаполнением припоем отверстий с открытыми контактными площадками; гс помощью выступающих выводов (из фольги), отгибаемых через отверстия; д – металлизацией через окна, получаемые трафаретной (либо фотохимической или другой) печатью; 1 – диэлектрическое основание; 2 – элементы коммутации; 3 – стенки сквозного отверстия; 4 – межслойная диэлектрическая прокладка; 5 – штифт; 6 – припой; 7 – сквозное металлизированное отверстие; 8 – внутреннее (скрытое) металлизированное отверстие; 9 – глухое металлизированное отверстие; 10 – отверстие с открытой контактной площадкой, заполненное припоем; 11 – ступенчатое с открытыми контактными площадками, заполненное припоем; 12 – выступающие выводы (полоски из фольги); 13 – отверстия для межслойных соединений; 14 – пленочные проводники; 15 – пленочный межслойный диэлектрик; 16 – окна для межслойной коммутации, получаемые, например, трафаретной печатью.

Формирование многослойной структурыМПП осуществляется по пакетной, подложечной либо пакетно-подложечной технологии (см. рис. 7.2).Пакетная технология реализуется путем набора (сборки) в пакет единичных заготовок с коммутирующими элементами (изготовленными аналогично ОПП и (или) ДПП) с последующим их спрессовыванием (групповым или попарным), либо склеиванием, либо вакуумной пропайкой в монолитную конструкцию (так называемым замоноличиванием пакета). После этого создают (либо завершают) межслойную коммутацию с применением методов а…г (см. рис. 7.1). Особенностями пакетных МПП являются хорошая освоенность технологий прессования пакета и возможность получения наибольшего числа слоев коммутации по сравнению с другими группами вариантов МПП (см. рис. 7.2).

Основные конструкторско-технологические варианты, которые реализовывались замоноличиванием пакетов, представлены группой 1, а…м (см. рис. 7.2). Максимальное количество слоев коммутации в пакетных МПП ограничивается погрешностью совмещения между слоями, которая возрастает с увеличением числа слоев.

Подложечная технология (или технологияпослойного наращивания) получила свое название в связи с использованием только одной основы (т. е. подложки) для изготовления МПП путем поочередного создания коммутирующих и диэлектрических слоев преимущественно с применением тонко- или толстопленочной технологии. В этом случае формирование многослойной структуры и межслойной коммутации осуществляется одновременно с помощью фотопечати либо трафаретной печати (см. рис. 7.1, д) или других методов, то есть происходит постепенное замоноличивание структуры коммутации на одной подложке при ее послойном наращивании. Характерными особенностями подложечных МПП (см. группу 2, а…и, рис. 7.2) являются: потребность (для большинства вариантов) в планаризации (выравнивании) рельефа поверхности после формирования каждого слоя коммутации (см. рис. 7.2, в…и); высокая плотность коммутации; возможность использования при сборке и монтаже ячеек на таких МПП только поверхностно-монтируемых компонентов. Максимальное количество слоев коммутации в подложечных МПП ограничивается рельефностью элементов коммутации и величиной остаточных внутренних напряжений, возникающих при формировании структуры МПП.

Основные характеристики конструкторско-технологических вариантов МПП, освоенных промышленностью, приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Сравнительные характеристики конструкторско-технологических вариантов МПП, освоенных отечественными и зарубежными предприятиями

№ в соответствии с рис.7.2	Конструкторско-технологический вариант МПП	Число слоев коммутации	Качество межслойной коммутации	Плотность коммутации на плоскости, дорожек/мм	Применение разных конструкций ЭРК при изготовлении ячеек на таких МПП		Применение автоматизации при изготовлении МПП	Стоимость изготовления
					ТМК	ПМК
1,а	Пакетные с выступающими выводами	6…10	Хорошее	0,4…0,6	О	ОФШВ	П	Средняя
1,б	Пакетные с открытыми контактными площадками	6…12	Хорошее	0,5…0,6	О	ОФШВ	Невозможно	Малая
1,в	Пакетные с межслойной коммутацией объемными деталями	4…6	Отличное	0,3…0,5	О	ОФШВ	О	Средняя
1,г	Пакетные с химико-гальванической металлизацией сквозных отверстий	12…20	Хорошее	0,6…0,8	Возможно	Возможно с ОШВ	Возможно	Средняя и малая
1,е	Пакетные с тонкопленочной и гальванической коммутацией (на полиимидных носителях)	10…30 и более	Отличное	5,0…7,0	Н Окончание табл. 7.1. евозможно	Возможно	Затруднено	Большая
1,ж	Пакетные с толстопленочной коммутацией (на керамике)	5…30	Хорошее	1,0…3,0	Невозможно	Возможно с ОШВ	Возможно	Средняя и малая
1,д	Пакетные с применением попарного прессования	4	Удовлетворительное	0,6…0,8	Возможно	Возможно с ОШВ	Возможно	Малая
2,а	Подложечные со сквозным анодированием	3…10 и более	Хорошее	3,0…5,0	Невозможно	Возможно	Затруднено	Большая
2,в	Подложечные с тонкопленочной коммутацией (в т. ч. с использованием 2-х сторон подложки)	4…10	Отличное	3,0…6,0	Невозможно	Возможно	Затруднено	Большая и средняя
2,г	Подложечные с толстопленочной коммутацией (в т. ч. с использованием 2-х сторон подложки)	4…10	Отличное	2,0…4,0	Невозможно	Возможно с ОШВ	Возможно	Малая и средняя
2,ж	Подложечные по полимерной технологии	3…10	Хорошее	2,0…4,0	Невозможно	Возможно с ОШВ	О	Большая (малая в потенциале)
2,е	Подложечные по рельефной технологии	3…10	Хорошее	0,5…2,0	Невозможно	ОФШВ	О	Средняя и малая

Обозначения: ТМК – традиционно монтируемые компоненты (в отверстиях плат); ПМК – поверхностно-монтируемые компоненты; О – ограниченно; ОФШВ – ограничено формой и шагом вывода; с ОШВ – с ограничением по шагу выводов; П – проблематично; ЭРК – электрорадиокомпоненты.

Пакетно-подложечная технология создания монолитной структуры МПП (см. рис. 7.2, группу 3, а…д) сочетает достоинства и недостатки этих двух технологий и расширяет их возможности с точки зрения увеличения количества слоев коммутации, уменьшения погрешности совмещения слоев и повышения плотности коммутации. Однако, конструкторско-технологические варианты МПП этой группы реализованы только в лабораторных условиях и преимущественно на керамических основаниях (подложках).

Использование в пределах вариантов каждой из групп МПП (см. рис. 7.2) разных технологий металлизации было связано не только с поиском надежных приемов замоноличива-

ния структуры и формирования межслойной коммутации, но и с повышением требований к качеству и стабильности электрофизических параметров МПП, а также с увеличением их функциональных возможностей при снижении массогабаритных показателей.

Это способствовало созданию различных вариантов МПП на керамических и полиимидных основаниях (соответственно группа 1, ж, е; группа 2, г, з; группа 3, а; см. рис. 7.2) с применением толсто- или тонкопленочной технологии.

При использовании тонкопленочной технологии диэлектрические и токопроводящие слои наносят с помощью одного из способов вакуумного напыления, характеризующихся разнообразием применяемых материалов и возможностью создания многослойных структур в одном технологическом цикле. Недостатками тонкопленочной технологии являются низкая производительность, сложность технологического оборудования, необходимость вакуума.

При использовании толстопленочной технологии с помощью трафаретной печати создают изоляционные и проводящие слои, которые затем вжигают в керамическое основание. Так как керамика в неотожженном состоянии допускает механическую обработку для получения переходных отверстий, то появляется возможность послойным наращиванием формировать многослойные структуры с 2-х сторон подложки с межслойной коммутацией. Подложечная технология обеспечивает высокую надежность коммутации и производительность процесса без применения дорогостоящего оборудования. Однако при изготовлении многослойных проводящих структур требуются материалы со ступенчатыми температурами вжигания. Применение сырых керамических пленок позволяет параллельно изготавливать заготовки с 2-х сторонней коммутацией и межслойными соединениями (т. е. керамические ДПП) с последующим использованием пакетной технологии (рис. 7.3). Собранные по базовым отверстиям пакеты заготовок спрессовываются при температуре 75…100, а затем спекаются при 1500…1800. Скорость повышения температуры должна быть оптимальной и не приводить к растрескиванию заготовок. Существенное уменьшение линейных размеров (на 17…20%) требует точностного расчета перед первоначальным нанесением элементов коммутации на сырые листы керамики.

Технологический процесс изготовления МПП на полиимидных пленках начинается чаще всего с изготовления ДПП. С помощью двухстороннего селективного травления за один цикл формируются переходные отверстия диаметром 30…70 мкм на пленке толщиной 25…50 мкм. При травлении образуется конусообразная форма отверстий, удобная для последующей вакуумной металлизации (например, магнетронным напылением структуры Cr-Cu-Cr толщиной 1…2 мкм). После избирательного усиления металлизации слоем гальванической меди и технологическим покрытием (Sn-Ni, Sn-BiилиSn-Pb), а также селективного стравливания металлизации с нерабочих участков, заготовки (ДПП) поступают на сборку пакета. Многослойная монолитная структура получается вакуумной пропайкой пакета (из ДПП, чередуемых с перфорированными прокладками), что обеспечивает надежную межслойную коммутацию. Далее следует приклеивание замоноличенного пакета через фигурные изоляционные прокладками из полиимида к жесткому основаниию, на котором предварительно сформированы контактные площадки. В качестве основания, придающего жесткость и обеспечивающего необходимый теплоотвод полиимидной МПП, используются металлические пластины с изолирующим слоем (анодированный алюминий, эмалированная сталь и др.). Таким образом можно формировать МПП с 15…20 и более слоями коммутации. Дополнительные сведения об основных характеристиках подложечных и пакетных МПП на керамических и полиимидных основаниях приведены в табл. 7.1, а о пакетных технологиях их изготовления – в табл. 7.2.