KTP3_ / GLAVA10B

175

10.3. Конструкционные материалы для производства печатных плат

Для изготовления ПП широкое распространение получили слоистые диэлектрики, состоящие из наполнителя и связующего вещества (синтетической смолы, которая может быть термоактив­ной или термопластичной), керамические и металлические (с по­верхностным диэлектрическим слоем) материалы. Выбор материала определяется электроизоляционными свойствами, механи­ческой прочностью, обрабатываемостью, стабильностью парамет­ров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся клима­тических условий, себестоимостью. Большинство диэлектриков выпускается промышленностью с проводящим покрытием из тон­кой медной (реже никелевой или алюминиевой) электролитиче­ской фольги, которая для улучшения прочности сцепления с ди­электрическим основанием с одной стороны оксидирована или покрыта слоем хрома (1 ... 3 мкм). Толщина фольги стандарти­зирована и имеет значения 5, 18, 35 и 50, 70, 105 мкм. Фольга характеризуется высокой чистотой состава (99,5%), пластич­ностью, высотой микронеровностей 0,4 ... 0,5 мкм.

В качестве основы в слоистых пластиках используют электро­изоляционную бумагу или чаще стеклянную ткань. Их пропиты­вают фенольной или фенолоэпоксидной смолой. Фольгирование диэлектриков с одной или с двух сторон осуществляют прессова­нием при температуре 160 ... 180°С и давлении 5 ...15 МПа. Фольгированные слоистые диэлектрики поставляются в виде листов размерами от 400 до 1100 и толщиной 0,06 ... 3 мкм. Их используют при субтрактивных методах изготовления ПП и МПП. Гетинакс, обладая удовлетворительными электроизоляци­онными свойствами в нормальных климатических условиях, хоро­шей обрабатываемостью и низкой стоимостью, нашел применение в производстве бытовой РЭА. Для ПП, эксплуатирующихся в сложных климатических условиях, используют более дорогие, обладающие лучшими техническими характеристиками стекло-текстолиты (табл. 9.3). Они отличаются широким диапазоном рабочих температур (—60 ... +150°С), низким (0,2 ... 0,8%) водопоглощением, высокими значениями объемного и поверхно­стного сопротивлений, стойкостью к короблению.

Наличие в коммутирующих устройствах мощных цепей пита­ния и блоков высокого напряжения увеличивает опасность возго­рания ПП. Повышение огнестойкости диэлектриков (ГОФ, ГОФВ, СОНФ, СТНФ) достигается введением в их состав антипиренов (например, тетрабромдифенилпропана).

Нефольгированные диэлектрики применяют при полуаддитив­ном и аддитивном методах производства ПП. Для улучшения прочности сцепления металлического покрытия с основанием на его поверхность наносят тонкий ( 50 ... 100 мкм ) полуотвержден-ный клеевой слой (например, эпоксикаучуковую композицию). Введение в лак, пропитывающий стеклоткань, 0,1 ... 0,2 маc. % палладия, смеси палладия с оловом или закиси меди незначи­тельно снижает сопротивление изоляции, но повышает качество металлизации (СТАМ).

Соединение отдельных слоев МПП осуществляют специальны­ми склеивающими прокладками, которые изготавливают из стек­лоткани, пропитанной недополимеризованной эпоксидной смолой.

Содержание смолы в прокладках должно быть в пределах 42 ... 52%, а летучих веществ — не более 0,75%. Длительное сохранение клеящих свойств межслойных прокладок достигается их консервацией в герметически упакованных полиэтиленовых мешках при пониженной (+10°С) температуре.

Таблица 10.3

Основные конструкционные материалы для производства ПП

	Толщина
Вид материала, марка	фоль­ги, мкм	материа­ла, мм	Назначе­ние	Свойства
Гетинакс фольгированный:
ГФ-1-35
огнестойкий ГОФ-2-50Г	35,50	1...3	опп,	rs =1-109 Ом; s = 4,0 Н; t =—60 ... +90°С;
влагостойкий ГОФВ-2-35			дпп	b = 70 ... 130 мг; k=1 ...... 1,5; t=15с
Стеклотекстолит:
с адгезионным слоем СТЭК	35,50	1,0...1.5	дпп	rs =1010 Ом; s =4 Н; k =1,0 ... 1,5
с катализатором СТАМ		0.7...2,0	ДПП	rs =1013 Ом; b=20 мг; Uпр=15 кВ/мм
Стеклотекстолит фольгиро­ван-ный:				t = —60 ... +105°С; rs =.1010 ... 1011 Ом;
СФ-1(2)-35	35,50	0,8...3	опп, ДПП	s ==3 ... 4 Н; k=1,5...2; t=10 с
огнестойкий СФО-1(2)-35	18,35	0,8...3	опп, дпп
СОНФ-1(2)-50	50	0,8...3	опп, дпп
самозатухающий ДФС-1(2)-50	18.35	0,06...2	ДПП, мпп
тонкий ФДМ-1А	18,35	0,2...0,35	мпп	с=0,05—0,1%; rs ==1010 Ом; b=7...20мГ;
ФДМЭ-1А		0,1...0,2		Uпр=15 ... 35 кВ/мм; s =2,1 ... 4 Н; b=8 ...10мг
травящийся ФТС-1(2)	18,35	0,08. .0,5	мпп
теплостойкий СТФ-1(2)	18,35	0.1...3	ДПП, мпп	t = —60...+150°С; Uпр= 30 кВ/мм
с тонкой фольгой СТПА-1	5	0,1...3	опп, ДПП	b=0,3 ... 1 %; s =4 Н; rs =1012 Ом; с=0,2%;
слофадит негорючий СТНФ	5 18,35	0.5...3 0,1...3	дпп,гпп МПП,	Uпр=30 кВ/мм; t = —60...+150°С; s = 4 ... 4,5 Н
Фторопласт фольгированный:			опп,	rs =10 13Ом; t =—60 ... ... +200°С;
ФФ-4	50	1,5...5	дпп	s =3 ... 3,2 Н ;
армированныйФАФ-4Д ФЛАН-2,8(3,8;5;7,2;10; 16)	50 35	0,5...3 1...10	гпк ДПП, свч	rs =5'-1014 Ом; t =—60... ... +150°С; Uпр = 15 кВ/мм, s =3 Н
Полистирол и его сополиме­ры с наполнителями:			опп, свч
ПТ-3 (5, 7, 10, 16)	50	1.0...1,5	опп,	b = 0... 0.2%
СТ-3 (5, 7, 10, 16)	50	1,0...15	ДПП,
Керамика алюмооксидная 22ХС		0,5...2	мпп
Лавсан фольгированный:	35	0.05	гпп,	rs =1013 Ом; t=-60 ..... +100°С;
ЛФ-1 ЛФ-2	50	0,1	гпк	П=400; s=2,4; с=0,5 ... 1 %
Полиимид фольгированный: ПФ-1	35	0,05	гпп,	rs =1012 Ом; t = —60 .. ... +250°С;
ПФ-2	50	0,1	гпк	b = 0,1 %; П=600; Uпр=50 кВ/мм; b=0,5 ... 2 %
Стеклоткань прокладочная:			мпп	l1 = 0,3 .... 2%; l2 =45 ... 56 %
СП-1-0,025		0,025
травящаяся СПТ-3-0,06		0,06		l1 = 0,75 %. l2 = 55 ... ... 70 %
самозатухающая СПС-1		0,1
Фольга электролитическая:
ФМЭГ-Н (общего назначения)	18... 105	—	СФ. ФТС	l = 3%
ФМЭГ-ЛН (пластичная) ФМЭГ-ЛН (нагревостой кая)		--- ----	ПФ, ЛФ СТФ	l =10% l =3 %
ФМЭГ-ЛНП		—	ФЛАН	l =10%
ФМЭХ (с хромовым покрытием)	50	—	ФФ—4, ФАФ	l =3 %

Обозначения: t — диапазон рабочих температур; r_s , — удельное поверхностное сопротивление; П — число двойных перегибов; s — прочность отделения полоски 3-мм фоль­ги от диэлектрического основания; с — изменение линейных размеров; k — штампуемость; l — относительное удлинение; 1₁ — содержание летучих веществ; l₂ —содержание связующе­го: b — влагопоглощение; t — время горения.

Для производства печатных кабелей применяют армированные фольгированные пленки из фторопласта-4 (ФАФ-4Д) и полиэфир­ные пленки (ПЭТФ). Прямое прессование медной фольги с тер­мопластичным основанием позволяет добиться геометрической стабильности материала при кратковременном изменении темпе­ратуры до 180 ... 200 °С. Более высокой термостабильностью (до 250 °С), прочностью на растяжение, несгораемостью, радиацион­ной стойкостью, а также способностью к равномерному травлению в щелочных растворах обладают полиимидные пленки, но высо­кая стоимость и водопоглощение ограничивают их широкое при­менение коммутационными ДПП и МПП в микроэлектронной аппаратуре. Термопластичные материалы, обладающие повышен­ной текучестью, используются при изготовлении рельефных ПП. К ним относятся сложные композиции, основу которых составляют полиэфирсульфоны и полиэфиримиды. Введение в пластмассы стеклянного наполнителя увеличивает их рабочую температуру до 260°С, что позволяет проводить пайку монтируемых элемен­тов расплавлением дозированного припоя в паровой фазе.

В качестве основы для ПП СВЧ-диапазона используют непо­лярные полимеры (фторопласт, полиэтилен, полипропилен), по­лярные (полистирол, полифениленоксид) и их сополимеры. На­правленное изменение свойств термопластичных материалов до­стигается наполнением (алунд, двуокись титана), армированием (стеклоткань) и плакированием (медная фольга).

Керамические материалы характеризуются высокой механиче­ской прочностью, которая незначительно изменяется в диапазоне температур 20 ... 700 °С, стабильностью электрических характе­ристик и геометрических параметров, низким (0 ... 0,2 %) водо-поглощением и газовыделением при нагреве в вакууме, хруп­костью и высокой стоимостью. Промышленность выпускает их в виде пластинок размером от 20Х16 до 60x48 мм с высотой микронеровностей 0,02 ... 0,1 мкм и разнотолщинностыо ±0,01 ... 0,05 мм. Они предназначены для изготовления одно- и многослойных коммутационных плат микросборок, для ПП СВЧ-диапазона.

Изготавливают керамические платы прессованием, литьем под давлением или отливкой пленок. Процесс получения плат из ке­рамических пленок позволяет снизить их шероховатость, разнотолщинность, расширить технологические возможности при изго­товлении МПП . Он состоит в следующем. Мелкоизмельченное минеральное сырье (кварцевый песок, углекислый марганец, окись хрома, глинозем) тщательно смешивается с технологической связкой, состоящей из поливинилбутираля, дибутилфталата, этилового спирта, и загружается в литье­вую машину. Под действием собственного веса керамическая масса равномерно истекает через фильеру и попадает на подлож­ку из полиэтилентерефталата толщиной 30 ... 100 мкм и шириной 120 мм, которая со скоростью 0,6 м/мин разматывается из руло­на. Между фильерой и подложкой на всей ее ширине устанавли­вается одинаковый зазор 0,15 ... 0,2 мм, который определяет толщину заготовки. Отлитую керамическую пленку отделяют от подложки, разрезают на отрезки длиной 150 ... 200 мм и выдер­живают в технологической таре 24 ч; разнотолщинность пленки не должна превышать 20 мкм. После этого отрезки пленки соби­рают в пакеты и 3—4 раза пропускают через вальцы, постепенно уплотняя пленку до установленной толщины. Керамические дета­ли из пленки вырубают на гидравлическом прессе, а затем обжи­гают в электропечи в два этапа: предварительный обжиг при температуре 1100±50°С в течение 1 ч, скорость подъема темпе­ратуры от 20 до 300°С—50°С/ч, от 300 до 700 °С— 150°С/ч, от 700 до 1100—200°С/ч, окончательный отжиг в среде водорода или в вакууме при температуре 1620±40°С в течение 24 ч. Полу­ченные пластины шлифуют алмазными кругами до заданной ше­роховатости.

Металлические платы применяются в изделиях с большой токовой нагрузкой, работающих при повышенных температурах. В качестве основы используется алюминий или сплавы железа с никелем. Изолирующий слой на поверхности алюминия полу­чают анодным оксидированием. Варьируя состав электролита и режим электролиза, можно формировать оксидные пленки толщи­ной от нескольких десятков до сотен микрон с сопротивлением изоляции 10⁹ ... 10¹⁰ Ом. На стальных основаниях изолирование токопроводящих участков осуществляют с помощью специальных эмалей, изготавливаемых в виде тонких пленок. В состав эмалей входят оксиды магния, кальция, кремния, бора, бериллия, алю­миния или их смеси, связка (поливинилхлорид, поливинилацетат или метилметакрилат) и пластификатор. Пленка соединяется с основанием путем прокатки между вальцами с последующим вжиганием. Таким образом можно создавать многослойные струк­туры с различными механическими и электрическими характери­стиками.

Соответствие физико-механических свойств и других качест­венных характеристик конструкционных материалов, используе­мых при изготовлении ПП и МПП, требованиям технических усло­вий устанавливается входным контролем предприятия по стан­дартным методикам. Одновременно контролируются технологиче­ские свойства материалов. Испытание на пробивку отверстий (ГОСТ 24649—81) проводится на тестовой плате в нормальных климатических условиях или при нагреве 40 ... 60 °С. Пуансоном размером 5x5 мм последовательно пробивают несколько серий отверстий. При переходе от одной серии к другой уменьшают перемычку между отверстиями (3,5; 3,0; 2,5; 2,0; 1,5; 1,0; 0,5 мм) и визуально определяют, при каком значении перемычки появля­ются трещины. Щтампуемость k = а / b, где а—самая узкая не­поврежденная ширина перемычки, b—толщина материала. Устой­чивость к действию растворителей проверяется путем помещения заготовки на 2 мин в пары трихлорэтилена. После этого на ней не должно наблюдаться вздутий и расслоения. Содержание смо­лы в прокладочной стеклоткани контролируется взвешиванием тестовой платы до и после пребывания в термошкафу в течение 30,... 40 мин при температуре 500 ... 600 °С. Проверяется также влияние технологических операций на прочность сцепления фоль­ги с диэлектриком. Для этого на тестовой плате размером 50 х 120 мм изготавливается несколько проводников шириной 3 мм. Методом отслаивания определяется прочность сцепления в исход­ном состоянии и после воздействия технологических факторов (например, времени травления).

10.4. Технологическая остнастка для производства печатных плат

Точность и разрешающая способность получаемых ПП в пер­вую очередь определяются качеством используемой специальной технологической оснастки, основными видами которой являются фотошаблоны, сетчатые трафареты и печатные формы (клише). Фотошаблон—это графическое позитивное или негативное изо­бражение рисунка печатного монтажа, выполненного в натураль­ную величину на светопроницаемом основании. По назначению они разделяются на контрольные, которые хранятся в специаль­ном помещении как эталоны, и рабочие, которые изготавливаются с контрольных методом контактной печати и служат для перене­сения имеющегося на них рисунка на плату.

Изображение элементов на фотошаблоне должно соответство­вать требованиям чертежа и быть черно-белым, контрастным с четкими и ровными границами при оптической плотности темных полей не менее 2,5 ... 3 ед. и прозрачных участков не более 0,15 ... 0,2 ед, замеренной с точностью ±0,02 ед. на фотоэлек­трическом денситометре типа ДФЭ-10. Размеры печатных про­водников и контактных площадок устанавливаются с учетом ве­личины подтравливания. На рабочем поле фотошаблона не допу­скаются ореолы, пятна, точки, разрывы, полосы и другие види­мые дефекты. Фотошаблон должен быть износостойким, иметь минимальную деформацию при изменении температуры и влаж­ности окружающей среды, а также в процессе производства. В большей степени перечисленным требованиям удовлетворяют сверхконтрастные фотопластинки типа “Микрат-НК” и полиро­ванные силикатные стекла с металлизированными поверхностями, на которых получают контрольные фотошаблоны. Рабочие фото­шаблоны изготавливают на малоусадочных (не более 0,01 ... ... 0,03%) фотопленках типа ФТ-41П (СССР), РТ-100 (Япония) или “Агфалит” (ФРГ).

Обычно фотошаблоны получают на основе оригинала ПП, выполненного также на материале, который имеет стабильные размеры (органическое или силикатное стекло, алюминий, вини-проз, лавсан и др.), но в увеличенном масштабе 2:1, 4:1, 10:1. Оптимальный масштаб выбирается исходя из габаритов ПП, тре­буемой точности получения фотошаблона и погрешности изготов­ления оригинала выбранным методом:

М = d_ор/d_фш ,

где d_ор, d_фш—половина поля допуска на изготовление оригинала и фотошаблона.

Основными методами получения оригиналов являются вычер­чивание, наклеивание липкой ленты и вырезание эмали.

Вычерчивание изображения оригинала на специальной бумаге или малоусадочной пленке, на которую предварительно наносит­ся непроявляющейся синей краской с шагом 2,5±0,05 мм коорди­натная сетка, осуществляют вручную с помощью чертежных инструментов или на автоматическом чертежном аппарате, управ­ляемом координатографом. Высокая трудоемкость процесса и низ­кая точность изготовления оригинала (±0,2 ... 0,5 мм) ограни­чивают применение ручного метода для макетных работ.

Метод аппликаций состоит в наклеивании на прозрачное осно­вание калиброванных одиночных и групповых элементов, изго­товленных из светонепроницаемой безусадочной антистатической пленки. Для получения изображения ДПП на одну сторону осно­вания наклеивают красные (желтые) элементы, а на другую си­ние (фиолетовые). Последующее фотографирование через соот­ветствующий светофильтр обеспечивает получение совмещенного оригинала рисунков с точностью ±0,2 мм. Метод рекомендуется для изготовления ОПП и ДПП, простых по конструкции, с пони­женной плотностью монтажа.

Наибольшую точность изготовления оригиналов ПП (±0,05 мм) обеспечивает метод вырезания эмали. Для этого на прозрачное основание наносят равномерный слой гравировальной черной эма­ли марки ПП, которую после сушки вырезают с пробельных мест на универсально-расточных станках, снабженных измерительными микроскопами, или на координатографах с ручным или про­граммным управлением. В качестве инструмента используются пунктирные иглы, граверные резцы, рейсфедеры с алмазными наконечниками. Подбором оптимального давления на инструмент добиваются удаления эмали на всю толщину слоя.

Из готового оригинала контрольные фотошаблоны получают масштабным фотографированием на фоторепродуционных поли­графических камерах типа ФГ-ЗМ, ПП-12 и ЭМ-513 (СССР), “Климш” (ФРГ) и других с объективами, имеющими высокую разрешающую способность. Рабочие фотошаблоны изготавливают с контрольных способом контактной печати. Если ТП предусма­тривает обработку групповой заготовки (при размерах ПП до 100 мм), то на специальном оборудовании (фотоштампах) мето­дом мультипликации получают групповой фотошаблон с точным расположением рисунков рядами и строками, общими элемента­ми совмещения и общим машинным нулем отсчета координат программного сверления отверстий.

Более прогрессивным является метод получения фотошаблонов сканирующим световым лучом непосредственно на фотопластинке (без изготовления оригинала) с помощью высокопроизводитель­ных координатографов, работа которых управляется ЭВМ. Коор­динатограф (рис. 10.8) состоит из вакуумного стола 6, на котором закрепляется фотопластинка, фотоголовки и блока управления 1 Стол перемещается с высокой точностью в двух взаимно

Рис. 10.8. Схема работы коорди­натографа при получении фото­шаблонов печатных плат

перпендикулярных направлениях с по­мощью прецизионных ходовых вин­тов 4 и 5, которые приводятся во вращение шаговыми двигателями 2 и 3. Фотоголовка включает осве­титель 7, фокусирующую систему 8, круговую диафрагму 9 и фото­затвор 10. Диафрагма имеет набор отверстий (25 ... 70), оформляю­щих определенный элемент рисун­ка ПП, и закрепляется на валу ша­гового двигателя. При введении программы в блок управления сиг­налы подаются на шаговые двига­тели привода стола и диафрагмы, а также на осветитель. В результате их программированной рабо­ты на фотопленке последовательно засвечиваются все элементы ПП. Современные координатографы снабжаются си­стемами автоматического поддержания постоянного светового режима.

Если при изготовлении фотошаблонов используется обычный чертеж ПП, то он с помощью координатоскопа (Минск-2009) кодируется на перфоленту.

Сетчатые трафареты представляют собой металлическую раму из алюминиевого сплава, на которую натянут тканый материал. К материалу ткани предъявляются следующие требования:

- вели­чина просветов должна быть в 1,5—2 раза больше толщины нитей;

- на ткани не должно быть дефектов;

- она должна быть прочной на разрыв, устойчивой к истиранию, эластичной и практически не должна растягиваться в процессе работы, ячейки ткани не должны взаимодействовать с растворителями краски.

Та б л и ц а 10.4

Основные технические характеристики координатографов с программным управлением

Модель, изготовитель	Размер рабочего поля, мм	Точность позициони­рования, мкм	Макси­мальная корость перемещения, м/мин	Ширина экспони­руемой линии, мм	Дискрет­ность пере­мещения по координатам, мм
Минск-2005, СССР	500Х500	+0,03	3	0,2...5	0,025
КПА-1200, СССР	1200Х1200	±0,05	6,0	0,2...4	0,025
723,GегЬег	865Х1120	±0,01	5,0	0,1...4	0,025
Sientific, США	—
Агistоgгарh Sistem 201, Аriston , ФРГ	1200Х1200.	±0,015	9,4	0,1...4	0,025