Контрольные вопросы

1. Методы изготовления пп, их достоинства и недостатки.

2. Схема технологического процесса изготовления ПП позитивным комбиниро­ванным методом.

3. Особенности технологических операций изготовления ПП позитивным ком­бинированным методом.

4. Способы получения отверстий в заготовке ПП.

5. Сущность операции химической металлизации.

6. Способы нанесения рисунка на поверхность ПП.

7. Гальваническое меднение и гальваническое нанесение металлорезиста.

8. Особенности операции химического травления.

Практическая работа № 3 Технологический процесс изготовления многослойных печатных плат (мпп) способом металлизации сквозных отверстий

Цель работы

Изучение технологического процесса изготовления МПП способом металлизации сквозных отверстий.

1. Краткая характеристика и особенности технологического процесса

Метод металлизации сквозных отверстий является базовым технологическим процессом изготовления многослойных печатных плат и заключается в изготовлении внутренних слоев МПП, их прессования в пакет, сверлении, металлизации сквозных отверстий и получения печатных проводников на наружных слоях МПП.

Понятие «слой» в структуре МПП обычно распространяется на проводящий слой и изоляционное основание фольгированного диэлектрика. Такие слои в МПП представляют собой обычную одно- и двухстороннюю плату, выполненную на тонком изоляционном основании. Для получения МПП слои склеивают между собой.

2. Основные этапы технологического процесса

1. Входной контроль материалов.

Входной контроль материалов сводится к проверке фольгированных диэлектриков и прокладочной стеклоткани на соответствие требованиям ТУ.

2. Раскрой материала.

Раскрой материала и резку заготовок выполняют в соответствии с требованиями чертежа на заготовку и технологической карты на операцию. При разрезке тонких фольгированных материалов и прокладочной стеклоткани наиболее широко используют роликовые ножницы.

В результате выполнения операции раскроя должны быть обеспечены требуемые размеры заготовки, а на ее кромках не должно быть заусенцев и краев вмятин. Выполнение этих требований обеспечивается соблюдением соответствующего зазора между режущими роликами или ножами, отсутствие заусенцев, сколов, затуплений режущей кромки инструмента и соблюдением точности разметки исходного материала или настройки ограничивающих упоров. Все эти параметры контролируются по первым заготовкам и периодически проверяются в течение дня. Нарезанные заготовки упаковывают в тару с сопроводительным листом, в котором указывается марка и партия материала, из которого они вырезаны.

Заготовки прокладочной стеклоткани с аналогичным сопроводительным листом упаковывают в полиэтиленовые пакеты до 100 шт. и хранят в холодильниках при температуре не выше 5С.

3. Пробивка технологических отверстий.

Пробивка технологических отверстий в заготовках фольгированного диэлектрика может быть выполнена на разных стадиях процесса в зависимости от его варианта. Наиболее распространен вариант, в котором пробивку технологических отверстий выполняют до операции печати рисунка. Пробивку отверстий осуществляют путем механизированной или ручной штамповки, при которой точность выполнения размера отверстий и их положение на поле заготовки полностью определяются точностью исполнения инструмента-штампа. Значительно реже применяют сверление технологических отверстий в пакете заготовок на координатно-сверлильных станках или по кондуктору.

4. Изготовление внутренних слоев МПП.

Подготовка поверхности фольги фольгированных диэлектриков практически выполняется во всех вариантах технологического процесса изготовления слоев, но качество очистки зависит как от состояния поверхности фольгированного диэлектрика, так и выбранного способа печати рисунка схемы. На поверхности фольги при хранении образуется оксидный слой, который необходимо удалить. Удаление оксидного слоя с поверхности фольги делают механической и химической обработкой.

5. Получение защитного рисунка внутренних слоев МПП.

В производстве МПП целесообразно применение двух способов печати: фотохимического и трафаретного. Фотохимический способ печати, отличаясь от трафаретного повышенной трудоемкостью, обеспечивает наибольшую точность воспроизводимого рисунка, что и определяет его преимущественное использование при изготовлении и печатных плат, и слоев МПП. Способ трафаретной печати за последние годы получил дальнейшее развитие в направлении увеличения разрешающей способности и в настоящее время позволяет воспроизводить элементы рисунка размером до 0,1 мм с точностью до 0,02 мм, но на ограниченной площади – не более 100­100 мм.

При изготовлении МПП способ трафаретной печати применяют в основном для нанесения изоляционных слоев при последовательном наслаивании и для нанесения защитных покрытий на наружные поверхности плат.

При печати рисунка схемы фотохимическим способом, для образования защитного слоя пригодны практически все известные фоторезисты, и выбор фоторезиста определяется в основном экономическими соображениями, технологичностью использования и типом оборудования, применяемого для нанесения фоторезиста на поверхность заготовок.

Процесс фотохимической печати обычно составляют следующие операции:

• нанесение фоторезиста;

• экспонирование фоторезиста;

• проявление рисунка;

• дубление (в зависимости от типа используемого фоторезиста);

• контроль качества рисунка и ретушь.

6. Химическое травление слоев МПП.

Процесс химического стравливания участков медной фольги, не защищенных слоем резиста, применяется для слоев МПП практически во всех вариантах изготовления. Особенностями процесса травления являются зависимость скорости травления от количества накопленных продуктов реакции в травящем растворе; влияние на скорость травления различных загрязнений поверхности структуры металла и, наконец, зависимость равномерности травления от равномерности подачи травящего раствора и удаления продуктов травления.

Технологическая схема процесса травления обычно включает следующие основные операции:

• подготовка поверхности;

• химическое травление;

• нейтрализация травящего раствора;

• удаление защитного слоя фоторезиста.

Травление производят на установке ДМУМ, снятие фоторезиста на комплексе модулей снятия.

Для травления меди наиболее широкое применение находят травящие растворы на основе хлорного железа, хлорной меди, персульфата аммония, хромового ангидрида, перекиси водорода с добавками кислот или солей, смеси серной, соляной, фосфорной и других кислот.

7. Прессование МПП.

Прессование слоев в монолитную структуру является наиболее ответственным моментом в процессе изготовления МПП. Качество выполнения операций прессования определяют как механические характеристики МПП, так и ее функциональную надежность при последующей эксплуатации. Слои для МПП, как было показано в предыдущем разделе, представляют собой обычные платы, выполненные на тонких изоляционных подложках с одно- или двусторонним расположением печатных проводников. В отличие от готовых печатных плат, плата-деталь имеет технологическое поле, на котором расположены технологические фиксирующие отверстия, предназначенные для совмещения рисунков слоев в процессе склеивания. В зависимости от технологического варианта изготовления МПП плата-деталь может быть с металлизированными отверстиями (попарное прессование), с неметаллизированными отверстиями (открытые контактные площадки) и без отверстий (металлизация сквозных отверстий) в поле рисунка платы.

В процесс прессования слоев входят следующие технологические операции: подготовка слоев перед склеиванием; формирование пакета; прессование.

1. Подготовка слоев перед прессованием.

Подготовка слоев перед прессованием состоит из очистки поверхности от возможных органических и неорганических загрязнений путем обработок в декапирующих (для удаления окисной пленки с проводников) и моющих растворах или растворителях для удаления органических загрязнений с тщательной последующей промывкой дистиллированной водой.

В ряде технологических процессов изготовления МПП включают дополнительную обработку слоев в растворах, создающих оксидный слой меди (оксидирование) для создания более прочной адгезии при склеивании.

Подготовка прокладочных материалов перед склеиванием определяется типом используемого материала. Для процесса, изучаемого в данной работе, используется стеклоткань марки СТП-4-0,062. Стеклоткань, обычно хранимую в холодильнике, рекомендуется перед использованием выдержать на воздухе и затем в вакуумном шкафу с целью удаления влаги из материала. Оставшаяся влага может вызвать расслоение, вздутие в МПП, недостаточную стойкость при испытаниях готовой платы на воздействие припоя. Не допускается сушить прокладочную стеклоткань в шкафах или в струе горячего воздуха, т.к. это неминуемо приведет к изменению, т.е. текучести смолы и качества склеивания.

Формирование пакета.

Формирование пакета, состоящего из плат-деталей, листов прокладочной стеклоткани, формирующей межслойную изоляцию, и вспомогательных материалов, обеспечивающих условия нормального склеивания, производится с учетом обеспечения толщины будущей МПП. Расчет толщины обычно выполняют заблаговременно путем измерения толщины используемого материала, толщины основы прокладочной стеклоткани и определения числа листов стеклоткани.

При этом соблюдаются следующие правила:

• для формирования межслойной изоляции следует использовать как минимум два листа прокладочной стеклоткани;

• допускается использование прокладочной стеклоткани с различной толщиной основы, но пропитанной одинаковой композицией смолы и имеющую одинаковую текучесть смолы.

При неодинаковых толщинах плат-деталей и листов прокладочной стеклоткани примерный расчет выполняется суммированием толщины всех составляющих МПП.

Составление пакета для прессования выполняется на приспособлениях, обеспечивающих плоскопараллельность формирующих поверхностей и ориентацию плат-деталей относительно друг друга по технологическим фиксирующим отверстиям платы (без деформаций) после склеивания. Обычно такие приспособления состоят из стальной плитки с закрепленными в ней штифтами, расположенными в координатах фиксирующих технологических отверстий плат-деталей. На первую стальную плиту со штифтами накладывается вторая съемная стальная плита с отверстиями, через которые свободно проходят штифты первой (нижней) плиты. На поверхность этой съемной плиты и укладывается пакет для склеивания МПП. Третья стальная плита аналогична по размерам и форме второй плите (различие возможно по толщине плит) и служит второй формирующей поверхностью приспособления. Длина штифтов должна быть рассчитана таким образом, чтобы при укладке пакета МПП, вспомогательных деталей и стальных плит и сжатии их штифты не выступали за наружную поверхность третьей (верхней) плиты. Плиты должны быть шлифованы с плоскопараллельностью не хуже ­0,02 мм.

При сборке пакета необходимо выполнить следующие переходы:

• на нижнюю плиту установить съемную плиту приспособления;

• на поверхность съемной плиты положить 20-25 листов кабельной бумаги, надевая их через отверстия на штифты приспособления (листы кабельной бумаги служат «подушкой», выравнивающей давление при последующем склеивании);

• на бумажную подушку поместить полированную плиту из нержавеющей стали толщиной 0,5 – 0,8 мм (некоторые фирмы рекомендуют использовать полированные листы алюминия), полированная плита служит основной формирующей поверхностью, изъяны которой воспроизводятся на поверхности платы, поэтому контроль чистоты ее поверхности должен производиться особенно тщательно;

• на плиту из нержавеющей стали положить лист тонкой триацетатной пленки;

• на лист триацетатной пленки уложить нижнюю плату-деталь, на нее - необходимое количество листов прокладочной стеклоткани и т.д.;

• на верхнюю плату-деталь уложить лист триацетатной пленки, затем плиту из нержавеющей стали (полированной поверхностью к пакету платы), затем подушку из кабельной бумаги и, наконец, верхнюю съемную плиту приспособления.

2. Прессование слоев МПП.

Прессование слоев выполняется под давлением при соответствующей температуре, аналогично процессу изготовления фольгированных диэлектриков. Режимы склеивания зависят от термохимических свойств смолы прокладочной стеклоткани. Прессование осуществляется на специальных прессах. В качестве общих положений процесса склеивания можно отметить следующие:

1. Равномерность нагрева пакета более высокая при его загрузке в холодные плиты, т.к. прогрев происходит по мере повышения температуры на обогреваемых плитах, и неравномерность температуры плит пресса сглаживается теплопроводностью плит и приспособления для прессования.

2. Во время прогрева пакета не следует допускать максимального давления, так как при достижении температуры начала текучести смолы ее течение (под высоким давлением) может вызвать сдвиг проводников. Правильнее, если на период прогрева пакета до температуры на 10 - 15С выше начала размягчения смолы, плиты пресса просто сомкнуть на приспособлении или дать минимальное давление.

3. Температура размягчения смолы лежит в пределах 75 - 90С и должна быть определена для используемой прокладочной стеклоткани с достаточной точностью. При достижении этой температуры рекомендуется дать выдержку в 5-10 мин. для стабилизации температуры прогрева пакета, после продолжить подъем температуры.

4. Верхний предел температуры нагрева пакета определяет скорость реакции полимеризации, он должен быть ниже температуры деструкции полимера не менее чем на 10 – 20 С. С увеличением верхнего предела температуры возрастает скорость размягчения смолы и скорость ее отвердения, сокращается цикл прессования.

5. Величина давления, прикладываемого к пакету, определяет течение смолы и равномерность заполнения ею пустот между проводниками слоев. Излишне высокое давление вызывает слишком большое выдавливание смолы при достижении ею максимума текучести; при недостаточном давлении не обеспечивается равномерность заполнения пустот рельефа. Рекомендуется пробными запрессовками листов прокладочной стеклоткани определить величину давления (при установленном температурном режиме), при котором смола вытекает за края заготовок стеклоткани на 10 – 20 мм. Оптимальным считают давление, при котором в процессе склеивания слоев МПП смола выдавливается за пределы контура плат деталей на 5 – 10 мм.

6. Момент приложения максимального давления к пакету определяется температурой и временем достижения смолой максимальной текучести. Учитывая невысокую скорость течения смолы, рекомендуется максимальное давление подавать за 5 –10 мин до момента наступления максимальной текучести смолы. Этот момент зависит от температуры. При быстром подъеме температуры (15С в мин и выше) найти этот момент труднее при больших значениях максимальной температуры, т.к. в этом режиме скорость полимеризации и скорость изменения вязкости смолы более высокие, чем при пониженной максимальной температуре.

7. Время прессования определяется временем достижения максимальной температуры склеивания, временем выдержки при максимальной температуре и скоростью охлаждения пакета. Время выдержки при максимальной температуре зависит от скорости полимеризации смолы. При 170 - 180С рекомендуется выдержка 40 – 50 мин.

8. Охлаждение склеенного пакета рекомендуется выполнять, не снимая давления (даже на короткое время). Скорость охлаждения не лимитируется. Температура, при которой выполняется разъем приспособления для прессования, должна быть не выше 40С. Большинство видов брака МПП по механическим характеристикам так или иначе связано с режимами склеивания и качеством прокладочной стеклоткани. Наиболее распространены из них следующие.

Местные вздутия и отслоения, расслаивания по краям платы, коробления платы, пониженные электроизоляционные характеристики.

Для выполнения процесса прессования слоев МПП обычно используют гидравлические прессы, оборудованные плитами электрического или парового обогрева и пультами контроля и регулирования температуры и давления с таймерами. Для увеличения производительности на прессах монтируют несколько обогревных плит, образующих «этажерку». Каждая плита пресса имеет индивидуальную регулировку и контроль температуры.

Из зарубежного оборудования для прессования МПП в России наиболее известны прессы фирмы «ВАВАШ» (США), «КИВЕН» (Швейцария), «БЮРКЛЕ» (Германия).

Автоматический режим прессования на этих прессах задается циклограммой давления, т.е. после закрытия плит пресса включается низкое давление, время действия задает реле времени. После срабатывания первого реле времени включается высокое давление, время действия которого задается вторым реле. После срабатывания второго реле времени включается водяное охлаждение обогреваемых плит, время действия которого задается третьим реле времени.

2.8. Сверление МПП.

Полученный после прессования пакет МПП внешне представляет собой двусторонне фольгированную заготовку, которая требует дальнейшей обработки. Последовательность операций при этом определяется способом изготовления МПП. При способе металлизации сквозных отверстий последовательность операций представляется следующим образом:

• сверление отверстий;

• химическая металлизация отверстий и всей поверхности фольги;

• печать рисунка схемы в виде негативного изображения;

• гальваническое покрытие отверстий и проводников;

• удаление фоторезиста;

• травление участков медной фольги;

• оплавление;

• нанесение масочных покрытий.

Качество отверстий в МПП, подвергаемых в последствии металлизации, определяет не только ровность покрытия их стенок слоем металла, но и прочность соединения слоя металла как с изоляционным материалом, так и с участками проводников, входящих внутрь отверстия. Требования, предъявляемые к отверстиям в МПП, заключаются в следующем:

• стенки отверстий должны быть ровными, без выступающих нитей стеклоткани;

• поверхности колец проводников внутри отверстий не должны быть замазаны смолой изоляционного материала;

• на входе и выходе отверстий не должны быть заусенцы.

Эти требования диктуются прежде всего необходимостью получения надежного соединения проводников внутренних слоев с металлизацией стенок отверстий. Считается, что наилучшее качество отверстий обеспечивается спиральными сверлами с соответствующей геометрией.

2.9. Химическая металлизация отверстий представляет собой достаточно сложный процесс, основой которого является реакция восстановления металла из раствора его соли с помощью химического восстановления, вводимого в раствор. Эта реакция используется в промышленности достаточно давно и широко применяется в технике изготовления двусторонних печатных плат. Общепринятый процесс химической металлизации состоит из следующих операций:

• подготовки отверстий;

• сенсибилизации и активации поверхности отверстий;

• химической металлизации;

• гальванического покрытия.

2.10. Нанесение гальванических покрытий.

В процессах изготовления МПП с металлизацией отверстий рисунок проводников на внешних слоях в большинстве случаев формируется путем дополнительного гальванического осаждения того или иного металла. Гальванически осажденная медь определяет надежность печатных плат и является слоем, на который впоследствии осаждается металлический резист.

Процесс гальванического осаждения выполняется по защитному слою резиста, который обеспечивает избирательность формирования покрытия на поверхности медной фольги.

Покрытие сплавом олово-свинец ОС-61 наносится на печатные платы как для обеспечения пайки, так и в качестве защитного резиста при травлении.

2.11. Удаление фоторезиста.

Удаление фоторезиста по окончании операции нанесения гальванического покрытия сплавом олово-свинец производят на комплексе модулей снятия фоторезиста распылением растворителя или 2%-ным раствором едкого натра в случае применения СФ-ВЩ.

2.12. Травление меди.

Травление меди – сложный окислительно-восстановительный процесс, основанный на различии скоростей растворения металлов в том или ином травящем растворе. Выбор травильных растворов зависит от нескольких факторов: типа применяемого резиста, т.к. резист может быть несовместим с данным раствором; типа оборудования; требуемого коэффициента подтравливания; скорости травления.

2.13. Оплавление сплава олово-свинец.

Оплавление покрытия – несложная операция, но она обеспечивает получение ряда преимуществ, поэтому применяется в производстве более ответственных по назначению плат. Оплавление покрытия обеспечивает получение и сохранение хорошей паяемости, а также защиты от коррозии в процессе эксплуатации. Существующие в настоящее время методы и оборудование для оплавления различаются в основном способом теплоотдачи, свойствами теплопередающей среды, типом и характером источника нагрева.

Широко известен и используется в нашем производстве способ оплавления печатных плат с помощью инфракрасного излучения (ИК).

Применяемое оборудование – установка «АРГУС» (ФРГ).

2.14. Обработка контура.

Вырубка плат по контуру производится вырубными штампами на кривошипных прессах или фрезеровании по шаблону. В случае необходимости наносится защитное технологическое покрытие.