МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ Российской федерации

Курский государственный технический университет

Кафедра конструирования и технологии электронных вычислительных средств

Типовые технологические процессы изготовления печатных плат эвс

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине

«Технология приборостроения»

для студентов специальности 060800

КУРСК 1999

Составитель А.И. Морозов

УДК 621.325.

Типовые технологические процессы изготовления печатных плат ЭВС:

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Технология ПП и монтажа в производстве ЭВС»/ Курск. гос. техн. ун-т; Сост. А.И.Морозов. Курск, 1999. 29 с.

Излагаются методические рекомендации по проведению лабораторных работ, изложена последовательность их выполнения.

Предназначены для студентов, обучающихся по специальности 220500 «Конструирование и технология ЭВС».

Библиогр.: 4 назв.

Рецензент кандидат технических наук, доцент кафедры “Вычислительная техника” В.И.Иванов

Редактор О.А. Петрова

ЛР №020280 от 09.12.96.ПЛД №50-25 от 01.04.97.

Подписано в печать . Формат 6084 1/16. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 2,93. Уч.-изд.л. 3,15. Тираж 50 экз.

Заказ . Бесплатно.

Курский государственный технический университет.

Подразделение оперативной полиграфии Курского государственного технического университета.

Адрес университета и подразделения оперативной полиграфии: 305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Технологический процесс изготовления печатных плат химическим методом _{…………………………………………………………………………………………………………….….}4

2. Комбинированный метод изготовления печатных плат _{………………………..} 1

3. Технологический процесс изготовления многослойных печатных плат (МПП) способом металлизации сквозных отверстий _{……………………………} 18

Библиографический список _{………………………………………………………………………}29

Лабораторная работа № 1

Химический метод изготовления печатных плат

Цель работы

Изучение технологического процесса изготовления печатных плат химическим методом.

Теоретические положения

В настоящее время применяют несколько методов изготовления печатных плат: субтрактивные (subtratio – отнимание), при которых проводящий рисунок образуется за счет удаления проводящего слоя с пробельных мест; аддитивные (additio – прибавление), при которых рисунок проводников получают нанесением проводящего слоя с заданной конфигурацией на диэлектрическое основание.

Существуют и так называемые комбинированные методы изготовления печатных плат, при которых проводятся операции, как нанесения проводящего слоя, так и травления излишней металлизации.

Следует учитывать, что каждый метод имеет варианты, отличающиеся способами переноса рисунка на поверхность, удаления меди с пробельных участков и т.д.

Выбор метода изготовления ПП зависит от их конструктивного исполнения, необходимых конструкторских и эксплуатационных характеристик, а также результатов проведения технико-экономического анализа.

Основными показателями, характеризующими методы производства ПП, являются:

• разрешающая способность и точность геометрических размеров рисунка;

• возможность металлизации отверстий в процессе получения проводников;

• надежность электрических соединений и ремонтопригодность печатных узлов;

• экономическая целесообразность применения при различных видах производства.

При производстве односторонних печатных плат и гибких печатных кабелей наибольшее распространение получил субтрактивный метод. Сечение проводника ПП, полученной субтрактивным методом, показано на рисунке 1.

Достоинствами данного метода получения проводников являются:

• простота технологического процесса;

• хорошая адгезия проводников с основанием;

• низкое удельное электрическое сопротивление материала проводников.

Наряду с многочисленными преимуществами субтрактивный химический метод обладает рядом существенных недостатков:

• для фольгирования диэлектриков необходима высококачественная электролитическая медная фольга ;

• высокие потери меди, т.к. до 60 – 90% медной фольги удаляется в результате процесса травления;

• сложна проблема регенерации меди из растворов и нейтрализации травильной ванны;

• необходимы дополнительные защитные покрытия, стойкие к травителям меди;

- ограничение минимальной ширины проводников и зазоров между ними из-за подтравливания.

Т_м

3

2

1

Т_м

а Т₁ 3

2

1

Рис. 1. Сечение проводника ПП:

а - до травления меди;

б – после травления меди;

1 – диэлектрик; 2 – медная фольга; 3 – защитное покрытие

Наличие бокового подтравливания является основным недостатком субтрактивного метода изготовления ПП, так как уменьшает сечение элементов проводящего рисунка схемы на величину а и снижает адгезию фольги к диэлектрическому основанию (рис.1).

Величина бокового подтравливания оценивается фактором травления

,

который представляет собой отношение толщины фольги к величине изменения ширины печатного проводника.

Боковое подтравливание – процесс неуправляемый и значение а носит случайный характер. Поэтому при конструировании ПП приходится проектировать рисунок с заведомо большими размерами ширины проводников и расстояниями между ними, т.е. снижать плотность рисунка проводников.

Субтрактивный химический метод используют в основном в двух вариантах:

• позитивном;

• негативном.

При позитивном методе после нанесения защитного покрытия открытыми остаются участки будущих проводников, на которые затем гальванически наносится слой металлорезиста, стойкого к травлению. На последующих операциях защитная маска удаляется и производится травление, при котором гальванически осаждаемые слои служат защитным покрытием.

Схема технологического процесса изготовления односторонних печатных плат позитивным методом представлена на рис.2.

Позитивный метод может быть использован при изготовлении односторонних печатных плат позитивным методом.

Позитивный метод может быть использован при изготовлении как всей печатной платы, так и отдельных элементов рисунка.

Негативный метод изготовления односторонних печатных плат является основным в отечественной промышленности. При негативном методе покрытые защитным рисунком участки медной фольги удаляются травлением. Для улучшения паяемости ПП и защиты проводящего рисунка от окисления применяют горячее лужение ПП.

Таким образом, суть субстрактивного химического метода изготовления ПП состоит в том, что на подготовленную поверхность заготовки из фольгированного диэлектрика одним из способов наносится рисунок схемы. Затем фольга с пробельных мест вытравливается, после чего защитный слой фоторезиста или краски удаляется, и в нужных местах пробиваются и сверлятся отверстия.

Рассмотрим подробно особенности операций при изготовлении односторонних ПП (ОПП) химическим методом.

Ручную механическую подготовку поверхности осуществляют с помощью смеси венской извести со шлифовальным порошком под струей воды. Механизированную механическую подготовку поверхности производят вращающимися капроновыми и нейлоновыми щетками, на которые подается струя абразивной суспензии того же состава.

Ручную химическую и электрохимическую подготовку поверхности осуществляют в ваннах с различными растворами (хромового ангидрида, персульфата аммония, соляной кислоты и др.) покачиванием заготовок и их дальнейшей промывкой. Механизированную подготовку проводят в конвейерных установках (модулях) струйного типа с валковыми или струйными конвейерами, устройствами для разбрызгивания растворов, секциями промывки и сушки.

Высокое качество и производительность обеспечивает плазменная очистка ПП, которая устраняет использование токсичных кислот, щелочей и их вредное воздействие на обслуживающий персонал, материалы обработки и окружающую среду.

2

1

3

4

Рис.2. Схема технологического процесса изготовления односторонних печатных плат негативным методом:

1 – диэлектрик; 2 – медная фольга;

3 – защитное покрытие; 4 – покрытие олово-свинец

Контроль качества подготовки металлических поверхностей заготовок ПП оценивают по полноте смачивания их водой. Состояние диэлектрических поверхностей проверяют микроскопическими исследованиями, измерение высоты микронеровностей - проведением пробной металлизации и оценкой ее прочности сцепления с основанием. Объективным показателем качества является также проверка сопротивления изоляции после пребывания в камере влажности.

Нанесение рисунка схемы на ПП необходимо для получения защитной маски требуемой конфигурации. Рисунок должен содержать четкие границы между областями защищенных и незащищенных участков схемы с точным воспроизведением узких линий (разрешающая способность); быть стойким в процессе травления, подготовки поверхности и металлизации (без отслаивания, шелушения и проколов); не загрязнять платы, растворы и электролиты какими-либо примесями; иметь окраску для контроля качества его нанесения и хорошо сниматься после выполнения своих функций.

Перенос рисунка печатных проводников на фольгированный диэлектрик, т.е. создание покрытия, осуществляют методами офсетной печати, сеткографии и фотопечати.

Метод офсетной печати основан на переносе изображения проводников с печатной формы (клише) на основание ПП с помощью печатного валика. Метод применим в условиях массового производства, так как, в противном случае, из-за больших затрат на техническое оснащение становится неэкономичным. Достигаемое качество и точность рисунка ПП ниже, чем при других методах.

Сеткографический метод основан на нанесении специальной краски на плату путем продавливания ее лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет. При этом образуется устойчивый к травлению или гальваническому осаждению слой толщиной 10…30 мкм. Этот метод обеспечивает высокую производительность и экономичен в условиях массового производства.

При методе фотопечати поверхность фольгированного диэлектрика покрывают светочувствительным слоем (фоторезистом), на который с фотошаблона копируется рисунок печатного монтажа.

Метод фотопечати по отношению ко всем другим методам создания защитных рельефов обеспечивает самую высокую точность и плотность монтажа, соответствующую 4-5 классам.

Важнейшим этапом формирования проводящего рисунка схемы при изготовлении печатных плат субстрактивным методом является процесс травления (удаления) меди с непроводящих (пробельных) мест схемы.

Травление представляет собой сложный окислительно-восстановительный процесс, в котором травильный раствор служит окислителем. Как правило, травление состоит из операций предварительной очистки меди, способствующей более равномерному ее удалению, собственно удаления меди с пробельных мест платы, очистки поверхности металлорезиста.

Травление выполняют химическим и электрохимическим способами. Для химического процесса разработаны и используются в промышленности многочисленные составы на основе хлорного железа, персульфата аммония, хлорной меди, перекиси водорода, хлорида натрия и др.

Выбор травильного раствора определяется следующими факторами: типом применяемого резиста (табл.1), скоростью травления, величиной бокового подтравливания, сложностью оборудования, возможностью регенерации и экономичностью всех стадий процесса.

Таблица1

Совместимость травителей и применяемых резистов

Основной компонент травителя	Р Е З И С Т
	Офсетная окраска	Фоторезист	Sn - Pl	Sn	Au Au – Ni	Ni Sn - Ni	Ag
Хлорное железо	+	+	-	-	+	-	+

Таблица 1 (продолжение)

Основной компонент травителя	Р Е З И С Т
	Офсетная окраска	Фоторезист	Sn - Pl	Sn	Au Au – Ni	Ni Sn - Ni	Ag
Персульфат аммония	+	+		-	+	-	+
Хлорная медь	+	+ х	-	-	+	+	+
Перекись водорода	+	+			+	+	+
Хромовая кислота	+	+		+	+	-	+
Хлорид натрия	+ z	+ z	+	+	+	+	+
Состав: Хлорное железо+ Хлорная кислота	+	+	-	-	+	-	+

+ - резист не взаимодействует с травителем;

• - резист не взаимодействует с образованием растворимых соединений;

 - резист не взаимодействует с образованием нерастворимых соединений;

х – кроме фоторезиста на основе ПВС;

z – кроме резистов, удаляемых щелочью.

Скорость травления меди зависит от состава травителя, концентрации в нем окислителя и условий его доставки в зону обработки, температуры раствора и количества меди, перешедшей в раствор. Ее максимальное значение достигается при поддержании в заданных пределах режима обработки и постоянной регенерации травителя. Скорость травления оказывает существенное влияние на качество формируемых элементов ПП. При малых скоростях время пребывания платы в травителе увеличивается, что приводит к ухудшению диэлектрических свойств оснований и увеличению бокового подтравливания, а оно возникает вследствие того, что травитель воздействует не только на медную поверхность, подлежащую удалению, но и на боковые, не защищенные резистом, стороны проводников и других элементов схемы. В результате этого искажается прямоугольный профиль печатных проводников, уменьшаются их токонесущая способность и прочность сцепления с диэлектриком.

Величина бокового подтравливания оценивается фактором травления. Уменьшают фактор травления введением в используемые растворы специальных добавок: ионы металлов с более низким потенциалом, чем у меди, например Ag, Hg, Pt, Pd, Au, оказывают каталитическое действие на процесс, а органические соединения (мочевина, аминотриазол, амиды и др.), адсорбируясь на боковых поверхностях, ингибируют их растворение.

Удаление меди травильным раствором может быть выполнено путем погружения платы в этот раствор, наплескиванием его на плату (например, с помощью лопастей, погруженных в раствор) и разбрызгиванием перпендикулярно или под небольшим углом к поверхности платы при давлении 0,1…0,3 МПа.

Травление погружением – медленный процесс, приводящий к большому подтравливанию даже при барботировании (перемешивании с помощью газа) раствора. При разбрызгивании коэффициент полезного использования раствора больше, что способствует широкому применению способа.

Наибольшее распространение в технологии производства ПП получили травильные растворы на основе хлорного железа (плотность 1,36…1,42 г/см³). Они отличаются высокой и равномерной скоростью травления, малой величиной бокового подтравливания, высокой точностью получаемых контуров, незначительным содержанием токсичных веществ, экономичностью. Суммарная реакция, протекающая в растворе, описывается уравнением:

2FeCl_3­ + Cu = CuCl₂ + 2FeCl₂ (2)

Скорость процесса в свежеприготовленном растворе составляет

40 мкм/мин, но по мере накопления в нем ионов меди постепенно снижается и при 100 г/л составляет 5…6 мкм/мин. Недостатком данного раствора является образование илистого осадка, который адсорбируется поверхностью диэлектрика, с трудом удаляются при промывке, ухудшая изоляционные свойства подложки, не пригоден для получения плат, покрытых металлорезистом на основе олова.

Этих недостатков лишен раствор на основе персульфата аммония. Он быстро приготовляется на рабочем месте, прозрачен и невязок, не образует шлама при травлении, легко поддается регенерации. Процесс растворения протекает по следующему уравнению:

Cu + (NH₄)₂S₂O₈ = CuSO₄ + (NH₄)SO₄ . (3)

Однако реакция сопровождается выделением тепла, что вызывает необходимость стабилизации температурного режима. Травление приводит к большому боковому подтравливанию медных проводников, сопровождается зубчатостью краев из-за различия скоростей химических реакций по зернам металла и границам зерен, а раствор склонен к саморазложению.

Стабильными параметрами травления характеризуются растворы на основе хлорной меди. Разработанные кислые и щелочные составы несколько уступают по скорости растворам хлорного железа, но намного их дешевле. В них не образуется шлам, ПП легко отмываются после обработки, а боковое подтравливание не превышает 3…6 мкм. Растворение меди протекает в соответствии с реакцией

Cu + CuCl₂ = 2CuCl. (4)

Отсутствие в растворе посторонних, способных восстанавливаться катионов позволяет проводить полную регенерацию в непрерывном замкнутом цикле. Повышение производительности процесса достигается использованием раствора на основе двух окислителей – хлорной меди и хлорного железа.

Травление меди в растворе перекиси водорода проводится в кислой среде с добавлением серной или соляной кислоты. Используемые травители совместимы практически со всеми типами резистов. В сернокислом растворе протекают следующие реакции:

Cu + H₂O₂  Cu + H₂O;

CuO + H₂SO₄  CuSO₄ + H₂O. (5)

Получаемая CuSO₄ является химически чистым веществом, легко извлекается и используется для технических целей.

Полезную емкость по меди до 130 кг/м³ имеют солянокислые растворы. В них травящей способностью обладают не только исходные компоненты, но и продукты реакции:

Cu + 2HCl + H₂O₂  CuCl₂ + 2H₂O; (6)

CuCl₂ + Cu + 2HCl  2H[CuCl₂];

2H[CuCl₂] + H₂O  2CuCl₂ + 2H₂O. (7)

Процесс травления сопровождается точным поддержанием состава ванны и разложением перекиси водорода.

Электрохимическое травление ПП основано на анодном растворении меди с последующим восстановлением ионов стравленного металла на катоде. Такой процесс по сравнению с химическим травлением обладает рядом преимуществ: упрощением состава электролита, методики его приготовления, регенерации и очистки сточных вод, высокой и стабильной скоростью травления в течение длительного периода времени, экономичностью, легкостью управления и автоматизацией всех стадий.

При изготовлении ПП химическим негативным методом не предусмотрено покрытие их металлорезистом. Для улучшения паяемости проводят горячее лужение их проводящего рисунка с помощью припоя. В промышленности применяют два способа горячего лужения плат. Первый способ предусматривает нанесение на плату припоя в избыточном количестве, выравнивание его слоя по поверхности проводящего рисунка и съем излишков металла. Нанесение припоя производят способом погружения, налива или волной припоя. Выравнивание покрытия и удаление излишков осуществляют непосредственно после нанесения припоя, пока он не успел затвердеть, с помощью центрифуг, валков, ракелей, специальных сеток, обладающим капиллярным эффектом вакуумным отсосом, струями нагретого воздуха или жидкости. Второй способ горячего лужения заключается в нанесении на плату строго дозированного количества припоя. Для этого применяют специальные пасты и одну или несколько пар валков, вращающихся в расплавленном припое.

Качество полученных ПП проверяется визуально под микроскопом МБС-9, а также с помощью луп. При этом диэлектрическое основание ПП 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 невытравленных участков и другие дефекты, которые не ухудшают электрических параметров ПП.

Проводящий рисунок ПП должен быть четким, с ровными краями, без вздутий, отслоений, подтравливания, разрывов, темных пятен, следов инструментов и остатков технологических материалов. Допускаются отдельные местные протраны при условии, что оставшаяся ширина проводника соответствует минимально допустимой по чертежу, риски глубиной не более 25 мкм, отслоения проводников на длине не более 4 мм и остатки металлизации на пробельных местах ПП, не уменьшающие допустимых расстояний между элементами.

Контактные площадки должны быть без разрывов и отслоений. Площадь контактных площадок должна быть такой, чтобы при сверлении оставался гарантированный поясок меди шириной не менее 50 мкм. Допускается частичное отслоение отдельных (до 2%) контактных площадок вне зоны проводника и их ремонт с помощью эпоксидного клея.

Весь технологический процесс изготовления ПП химическим методом не должен ухудшать электрофизические и механические свойства применяемых конструкционных материалов.

Программа и последовательность выполнения работы

1. Подготовить рабочее место, проверить наличие оборудования и материалов в соответствии с перечнем.

2. Подготовить поверхность заготовки ПП согласно инструкции 1.

3. Получить рисунок ПП фотоспособом согласно инструкции 2.

4. Травить незащищенные рисунком участки медной фольги согласно инструкции 3.

5. Провести раздубливание и удаление защитного слоя фоторезиста с проводников согласно инструкции 4.

6. Просверлить отверстия ПП в соответствии с чертежом на сверлильном станке.

7. Проконтролировать визуально качество ПП.

8. Предъявить преподавателю изготовленную ПП и результаты контроля.

9. Привести в порядок рабочее место и сдать его лаборанту.