KTP3_ / GLAVA10A

9

10. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

10.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПЕЧАТНЫМ ПЛАТАМ

Печатные платы — это элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников в виде участков металлизированного по­крытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечи­вающих соединение элементов электрической цепи. Они получили широкое распространение в производстве модулей, ячеек и бло­ков РЭА благодаря следующим преимуществам по сравнению с традиционным монтажом проводниками и кабелями: 1) увели­чение плотности монтажных соединений и возможность микро­миниатюризации изделий; 2) получение печатных проводников, кранирующих поверхностей и ЭРЭ в одном технологическом цикле; 3) гарантированная стабильность и повторяемость элек­трических характеристик (проводимости, паразитных емкости и индуктивности); 4) повышенная стойкость и климатическим и механическим воздействиям; 5) унификация и стандартизация конструктивных и технологических решений; 6) увеличение на­дежности; 7) возможность комплексной автоматизации монтажно-сборочных и контрольно-регулировочных работ; 8) снижение тру­доемкости, материалоемкости и себестоимости.

К недостаткам следует отнести сложность внесения изменений в конструкцию и ограниченную ремонтопригодность.

Элементами ПП являются диэлектрическое основание, метал­лическое покрытие в виде рисунка печатных проводников и кон­тактных площадок, монтажные и фиксирующие отверстия. Они должны соответствовать требованиям ГОСТ 23752-86 и отрасле­вых стандартов.

Диэлектрическое основание ПП или МПП должно быть одно­родным по цвету, монолитным по структуре и не иметь внутрен­них пузырей и раковин, посторонних включений, сколов, трещин и расслоений. Допускаются одиночные вкрапления металла, ца­рапины, следы от удаления одиночных невытравленных участков, точечное и контурное посветление, проявление структуры мате­риала, которые не ухудшают электрических параметров ПП и не уменьшают минимально допустимых расстояний между элемента­ми проводящего рисунка.

Проводящий рисунок ПП должен быть четким, с ровными краями, без вздутий, отслоений, подтравливания, разрывов, тем­ных пятен, следов инструмента и остатков технологических ма­териалов. Допускаются: 1) отдельные местные протравы не более 5 точек на 1 дм² ПП при условии, что оставшаяся ширина про­водника соответствует минимально допустимой по чертежу; 2) ри­ски глубиной не более 25 мкм и длиной до 6 мм; 3) отслоения проводника в одном месте на длине не более 4 мм; 4) остатки металлизации на пробельных участках ПП, не уменьшающие допустимых расстояний между элементами.

Для повышения коррозионной стойкости и улучшения паяемости на поверхность проводящего рисунка наносят электролитиче­ское покрытие, которое должно быть сплошным, без разрывов, отслоений и подгаров. В отдельных случаях допускаются: 1) уча­стки без покрытия площадью не более 2 мм² на 1 проводник, но не более 5 на плате; 2) местные наросты высотой не более 0,2 мм; 3) потемнение и неоднородность цвета покрытия, не ухудшающие паяемость; 4) отсутствие покрытия на торцах проводников.

При наличии на печатных проводниках критических дефектов их дублируют объемными (не более 5 проводников для плат раз­мером до 120x180 мм и 10 проводников для плат размером свы­ше 120x180 мм).

Монтажные и фиксирующие отверстия должны быть располо­жены в соответствии с требованиями чертежа и иметь допустимые отклонения, определяемые классом точности ПП. Для повышения надежности паяных соединений внутреннюю поверхность монтаж­ных отверстий покрывают слоем меди толщиной не менее 25 мкм. Покрытие должно быть сплошным, без включений, пластичным, с мелкокристаллической структурой и прочно сцепленным с ди­электрическим основанием. Оно должно выдержать токовую на­грузку 250 А/мм² в течение 3 с при нагрузке на контакты 1 ... 1,5 Н и четыре (для МПП—три) перепайки выводов без изменения внешнего вида, подгаров и отслоений. После цикличе­ского воздействия изменения температур сопротивление перехода металлизированного отверстия не должно отличаться более чем на 20% от значения сопротивления в нормальных климатических условиях. Допускаются в отверстиях точечные неметаллизирован­ные участки диаметром не более 0,2 мм. Число таких отверстий на плате не должно превышать 0,3% от общего числа. При недо­пустимом повреждении металлизированные отверстия восстанав­ливают с помощью пустотелых заклепок, и их число не должно превышать 2% от общего числа отверстий, но не более 10 шт. на ПП. Переходные несквозные металлизированные отверстия меж­ду наружными и внутренними слоями МПП должны быть запол­нены смолой в процессе прессования, которая не должна иметь газовых включений и натекать на контактные площадки.

Контактные площадки представляют собой участки металли­ческого покрытия, которые соединяют печатные проводники с ме­таллизацией монтажных отверстий. Их площадь должна быть такой, чтобы не было разрывов при сверлении и остался гаран­тийный поясок меди шириной не менее 50 мкм. Разрывы контакт­ных площадок не допускаются, так как при этом уменьшаются то-конесущая способность проводников и адгезия к диэлектрику. Допускается частичное отслоение отдельных (до 2%) контактных площадок вне зоны проводников и их ремонт с помощью эпоксид-ного клея. Контактные площадки монтажных отверстий должны равномерно смачиваться припоем за время 3 ... 5 с и выдержи­вать не менее трех (МПП—двух) перепаек без расслоения ди­электрика, вздутий и отслаивания.

Технологический процесс изготовления ПП не должен ухуд­шать электрофизические и механические свойства применяемых конструкционных материалов. Сопротивление изоляции между двумя рядом расположенными элементами ПП при минимальном расстоянии между ними 0,2 ... 0,4 мм не должно быть для стек-лотекстолита меньше: а) 10000 МОм при нормальных климатиче­ских условиях (температура 25± 1 °С, относительная влажность 65±15%, атмосферное давление 96 ... 104 кПа); б) 1000 МОм после воздействия (2 ч) температуры —60±2°С и 300 МОм после воздействия (2 ч) температуры ±85±2°С; в) 20 МОм. после пребывания 4 сут. в камере с относительной влажностью 93±3% при температуре 40±2°С. 5 МОм—после 10 сут. и 1 МОм—после 21 сут.; восстановление первоначального значения сопротивления изоляции должно происходить в течение суток.

Электрическая прочность изоляции при том же расстоянии между элементами проводящего рисунка не нарушается при на­пряжениях: 700 В в нормальных условиях; 500 В после воздейст­вия относительной влажности 93±3% при температуре 40±2°С в течение 2 сут.; 350 и 150 В после воздействия пониженного дав­ления 53,6 и 0,67 кПа соответственно. Для внутренних слоев МПП указанные значения испытательного напряжения увеличиваются на 15%.

В процессе производства возникает деформация ПП, которая приводит к их изгибу и скручиванию, затрудняющих последую­щую сборку. Величина деформации определяется механической прочностью фольгированных диэлектриков, характером напря­женного состояния после стравливания фольги, правильностью режимов нагрева и охлаждения. На платах толщиной 0,8 мм и менее деформация не контролируется, при толщинах 1,5 ... 3 мм деформация на 100 мм длины не должна превышать, мм: для МПП — 0,4 ... 0,5, для ДПП на стеклотекстолите—0,5.. .0,8, на гетинаксе — 0,5.. .0,9, для ОПП на стеклотекстолите — 0,6.. .0,9, на гетинаксе—0,6... 1,5. При воздействии на ПП повышенной температуры 260 ... 290 °С в течение 10 с не должно наблюдаться разрывов проводящего покрытия, отслоений от диэлектрического основания.

10.2. Классификация печатных плат и методов их изготовления

Конструктивно-технологические разновидности ПП представ­лены на рис. 10.1. В зависимости от числа нанесенных печатных проводящих слоев ПП: разделяются на одно-, двусторонние и многослойные. Односторонние печатные платы (ОПП) выполня­ются на слоистом прессованном или рельефном литом основании без металлизации (рис. 10.2,а) или с металлизацией (рис. 10.2,6) монтажных отверстий. Платы на слоистом диэлектрике просты по конструкции и экономичны в изготовлении. Их применяют для монтажа бытовой радиоаппаратуры, блоков питания и устройств техники связи. Низкие затраты, высокие технологич­ность и нагревостойкость имеют рельефные (трехмерные) литые ПП, на одной стороне которых расположены элементы печатного монтажа, а на другой—объемные элементы (корпуса соедините­лей, периферийная арматура для крепления деталей и ЭРЭ, теп-лоотводы и др.). В этих платах за один технологический цикл получается вся конструкция с монтажными отверстиями и специ­альными углублениями для расположения ЭРЭ, монтируемых на поверхность. В настоящее время технология рельефных ПП ин­тенсивно развивается.

Рис. 10.1. Классификация печатных плат

Двусторонние печатные платы (ДПП) имеют проводящий ри­сунок на обеих сторонах диэлектрического (рис. 10.2,в) или метал­лического (рис. 10.2,г) основания. Электрическая связь слоев печатного монтажа осуществляется с помощью металлизации от­верстий. Двусторонние ПП обладают повышенной плотностью монтажа и надежностью соединений. Они используются в изме­рительной технике, системах управления и автоматического регу­лирования. Расположение элементов печатного монтажа на ме­таллическом основании позволяет решить проблему теплоотвода в сильноточной и радиопередающей аппаратуре.

Многослойные печатные платы (МПП) состоят из чередую­щихся слоев изоляционного материала и проводящего рисунка, соединенных клеевыми прокладками в монолитную структуру

Рис. 10.2. Сечения печатных плат: 1- основание диэлектрическое или металлическое; 2 - печатный проводник; 3 - контактная площадка; 4 - монтажное отверстие; 5 - металлизация; 6 - диэлектрик

путем прессования (рис. 10.2, д). Электрическая связь между про­водящими слоями выполняется специальными объемными дета­лями, печатными элементами или химико-гальванической метал­лизацией. По сравнению с ОПП и ДПП они характеризуются по­вышенной надежностью и плотностью монтажа, устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям, уменьшением размеров и числа контактов. Однако большая трудоемкость изго­товления, высокая точность рисунка и совмещения отдельных слоев, необходимость тщательного контроля на всех операциях, низкая ремонтопригодность, сложность технологического обору­дования и высокая стоимость позволяют применять МПП для тщательно отработанных конструкций электронно-вычислитель­ной, авиационной и космической аппаратуры.

Гибкие печатные платы (ГПП) оформлены конструктивно как ОПП или ДПП, но выполняются на эластичном основании тол­щиной 0,1 ... 0,5 мм. Они применяются в тех случаях, когда пла­та после изготовления подвергается вибрациям, многократным изгибам или ей после установки ЭРЭ необходимо придать ком­пактную изогнутую форму. Разновидностью ГПП являются гиб­кие печатные кабели (ГПК), которые состоят из одного или не­скольких непроводящих слоев с размещенными печатными про­водниками (табл. 10.1). Толщина ГПК колеблется от 0,06 до 0,3 мм. Они широко применяются для межсоединений узлов и бло­ков РЭА, так как занимают меньшие объемы и легче круглых жгутов и кабелей, а их производство может осуществляться не­прерывно на рулонном материале.

Проводные печатные платы (табл. 10.1) представляют собой диэлектрическое основание, на котором выполняются печатный монтаж или его отдельные элементы (контактные площадки, шины питания и заземления), а необходимые электрические со­единения проводят изолированными проводами диаметром 0,1 ... ... 0,2 мм. Эти платы нашли применение на этапах макетирова­ния, разработки опытных образцов, в условиях мелкосерийного производства, когда проектирование и изготовление МПП неэко­номично. Трехслойная проводная плата эквивалентна по монтажу восьми-, одиннадцатислойной МПП. При этом сокращается ко­личество необходимой технологической оснастки (фотошаблонов) и применяемых операций.

В соответствии с ГОСТ 23751—86 для ПП установлены пять классов плотности монтажа: первый, допускающий минимальную ширину проводников и расстояние между ними 0,75 мм; второй, для которого эти параметры равны 0,45 мм; третий, допускающий минимальные размеры 0,25 мм; четвертый—0,15 мм и пятый— 0,10 мм.

Методы изготовления ПП (рис. 10.3) разделяют на две группы: субтрактивные и аддитивные. В субтрактивных методах (subtratio—отнимание) в качестве основания для печатного монтажа используют фольгированные диэлектрики, на которых формирует­ся проводящий рисунок путем удаления фольги с непроводящих участков. Дополнительная химико-гальваническая металлизация монтажных отверстий привела к созданию комбинированных ме­тодов изготовления ПП.

Аддитивные (аdditio—прибавление) методы основаны на из­бирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектри­ческое основание, на которое предварительно может наноситься слой клеевой композиции. По сравнению с субтрактивными они обладают следующими преимуществами: 1) однородностью струк­туры, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином химико-гальваническом процессе; 2) устраняют под-травливание элементов печатного монтажа; 3) улучшают равно мерность толщины металлизированного слоя в отверстиях; 4) по­вышают плотность печатного монтажа (ширина проводников составляет 0,13 ... 0,15 мм); 5) упрощают ТП из-за устранения ряда операций (нанесения защитного покрытия, травления); 6) экономят медь, химикаты для травления и затраты на нейтра­лизацию сточных вод; 7) уменьшают длительность производ­ственного цикла.

Рис. 10.3. Классификация методов изготовления печатных плат

Несмотря на описанные преимущества, применение аддитив­ного метода в массовом производстве ПП ограничено низкой производительностью процесса химической металлизации, интен­сивным воздействием электролитов на диэлектрик, трудностью получения металлических покрытий с хорошей адгезией. Доми­нирующей в этих условиях является субтрактивная технология, особенно с переходом на фольгированные диэлектрики с тонко-мерной фольгой (5 и 18 мкм).

По способу создания токопроводящего покрытия аддитивные методы разделяются на химические и химико-гальванические. При химическом процессе на каталитически активных участках поверхности происходит химическое восстановление ионов метал­ла для обеспечения толщины покрытия в отверстиях не менее 25 мкм. В разработанных растворах скорость осаждения меди составляет 2 ... 4 мкм/ч и для получения необходимой толщины процесс продолжается длительное время. Более производитель­ным является; химико-гальванический метод, при котором хими­ческим способом выращивают тонкий (1 ... 5 мкм) слой по всей поверхности платы, а затем его усиливают избирательно электро­литическим осаждением. Предварительная химическая металли­зация обеспечивает электрическое соединение всех элементов пе­чатного монтажа.

Рис. 10.4. Схема установки офсетной печати: Рис. 10.5. Принцип трафаретной пе­чати:

I — диэлектрик; 2—медная фольга; 1 — рама; 2 — фиксатор подложки;

3— основание: 4 — печатная форма; 3 — ди­электрик; 4—основание;

5 — оф­сетный цилиндр; 6 — валик для 5—трафаретная краска; 6—трафарет;

нанесения краски; 7 — краска; 7—напечатанный рисунок; 8 — ракель

8 — прижимной валик

Разновидностью аддитивных методов является фотоформиро­вание проводящего рисунка схемы, при котором из процесса исключается фоторезист. На поверхность заготовки наносится состав, содержащий ионы металла (меди, палладия), которые восстанавливаются под действием ультрафиолетового облучения через фотошаблон и инициируют последующее формирование толстослойной металлизации. Осажденный слой обладает хоро­шей адгезией к диэлектрику, а полученные проводники имеют ширину 0,08 ... 0,1 мм.

Основными методами, применяемыми в промышленности для создания рисунка печатного монтажа, являются офсетная печать, сеткография и фотопечать. Выбор метода определяется конструк­цией ПП, требуемой точностью и плотностью монтажа, произво­дительностью оборудования и экономичностью процесса.

Метод офсетной печати состоит в изготовлении печатной фор­мы, на поверхности которой формируется рисунок слоя. Форма закатывается валиком трафаретной краской, а затем офсетный цилиндр переносит краску с формы на подготовленную поверх­ность основания ПП (рис. 10.4). Метод применим в условиях массового и крупносерийного производства с минимальной шири­ной проводников и зазоров между ними 0,3 ... 0,5 мм (платы 1 и 2 классов плотности монтажа) и с точностью воспроизведе­ния изображения ±0,2 мм. Его недостатками являются высокая стоимость оборудования, необходимость использования квалифи­цированного обслуживающего персонала и трудность изменения рисунка платы..

Сеткографический метод основан на нанесении специальной краски на плату путем продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, на котором необходимый ри­сунок образован ячейками сетки, открытыми для продавливания (рис. 10.5). Метод обеспечивает высокую производительность и экономичен в условиях массового производства. Точность и плот­ность монтажа аналогичны предыдущему методу.

Рис. 10.6. Схема технологического процесса изготовления ДПП химико-гальвани­ческим аддитивным методом

Самой высокой точностью (±0,05 мм) и плотностью монтажа, соответствующими 3—5 классу (ширина проводников и зазо­ров между ними 0,1—0,25 мм), характеризуется метод фотопеча­ти. Он состоит в контактном копировании рисунка печатного мон­тажа с фотошаблона на основание, покрытое светочувствительным слоем (фоторезистом).

Однослойные ПП и ГПК изготавливают преимущественно субтрактивным сеточно-химическим или аддитивным методом, а ДПП и ГПП—химико-гальваническим аддитивным (рис. 10.6) или комбинированными фотохимическими (негативным или пози­тивным) методами.

Производство МПП основано на типовых операциях получе ния ОПП и ДПП и некоторых специфических процессах, таких как прессование слоев, создание межслойных соединений и др. Классификация МПП по методам создания межслойных соеди­нений приведена на рис. 10.7. Выбор метода изготовления МПП определяется следующими факторами: числом слоев, надеж­ностью межсоединений, плотностью монтажа, видом выводов устанавливаемых ЭРЭ и ИС, ремонтопригодностью, возмож­ностью механизации и автоматизации, длительностью производ­ственного цикла, экономичностью. Анализ показывает (табл. 10.2), что методы, основанные на использовании объемных деталей для межслойных соединений, характеризуются повышенной трудоем­костью, низкой надежностью, плохо поддаются автоматизации. Применение таких методов ограничено. Наиболее распространен из второй группы метод металлизации сквозных отверстий.

Таблица 10.2

Сравнительные характеристики конструктивно-технологических вариантов МПП

Вариант МПП	Максималь ное число	Надежность межсоедине	Относи-тельная	Установка ИС и ЭРЭ		Относитель	Ремон- топри-	Механи- зация и	Стои-мость	Длитель ность
	слоев ПП	ний	плотность монтажа	с планар-ными выводами	со штыре-выми выводами	ная трудоемкость изготовления	год- ность	автомати зация сбо рочных процес-сов	изготов ления	цикла произ водства
Соединение объемными деталями	4....6	Высокая	0,5	+	+	1	Высокая	Возможна	Средняя	Средняя
Открытые контактные площадки	8....12	“-”-”-”	0,6	+	-	0,7	Низкая	Невозможна	Низкая	Малая
Выступающие выводы	10....15	“-”-”-”	0,5	+	-	2	Высокая	Возможна	Высокая	Средняя
Попарное рессование	4	Хорошая	0,8	+	+	1	Затруднена	“	Низкая	“
Послойное наращивание	5	Высокая	1	+	-	5	Низкая	“	Высокая	Большая
Металлизация сквозных отверстий	15....20	Хорошая	0,8	+	+	1	Хорошая	“	Низкая	Средняя

Обозначени я: (+)—операция возможна, (—)—невозможна.

Рис. 10.7. Классификация многослойных печатных плат

Повышение требований к качеству ПП и стабильности их параметров привело к созданию ПП и МПП на керамических и полиимидных основаниях. Для изготовления таких плат приме­няются многочисленные методы, основанные на тонко- и толсто-пленочной технологии. При использовании тонкопленочной техно­логии диэлектрические и токопроводящие слои наносят с помощью одного из методов вакуумного испарения, которые характеризу­ются разнообразием применяемых материалов и возможностью создания многослойных структур в одном технологическом цикле. Недостатками метода 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 основание. Так как керамика в неотож­женном состоянии допускает механическую обработку для полу­чения монтажных отверстий, то появляется возможность методом послойного наращивания формировать многослойные структуры с межслойными проводящими переходами. Метод обеспечивает высокую надежность изделий 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 слои МПП. Собранные по базовым отверстиям пакеты заготовок спрес­совываются при температуре 75...100°С, а затем спекаются при 1500 ... 1800 °С. Скорость повышения температуры должна быть оптимальной и не приводить к растрескиванию подложки. Суще­ственное уменьшение линейных размеров (на 17 ... 20%) требует точного расчета при первоначальном нанесении рисунка на сырые листы.

Технологический процесс изготовления МПП на полиимидных пленках начинается с изготовления ДПП. С помощью двусторон­него фототравления за один цикл формируются монтажные отвер­стия диаметром 50 ... 70 мкм на пленке толщиной 50 мкм. При травлении образуется конусообразная форма отверстий, удобная для последующей вакуумной металлизации (например, Сr—Сu толщиной 1...2 мкм). После избирательного усиления металли­зации слоем гальванической меди и технологическим покрытием (Sn—Ni, Sn—Вi, Sn—РЬ) платы поступают на сборку. Много­слойные ПП получают приклеиванием двухслойных плат через фигурные изоляционные прокладки из полиимида к жесткому основанию, на котором предварительно сформированы контакт­ные площадки. В качестве основания используются металличе­ские пластины с изолирующим слоем (анодированный алюминий, эмалированная сталь и др.). Электрическое соединение отдель­ных слоев проводится пайкой в вакууме. Таким образом можно формировать платы с 15 ... 20 слоями.