4.5. Типовые технологические процессы изготовления печатных плат

Все процессы изготовления печатных плат можно разделить на субтрактивные, аддитивные и полуаддитивные.

Субтрактивный процесс (subtractio — отнимать) полу­чения проводящего рисунка заключается в избирательном удалении участков проводящей фольги путем травления; аддитивный процесс(additio — прибавлять) — в избирательном осаждении проводящего материала на нефольгированный материал основания;

полуаддитивный процесс предусматривает предваритель­ное нанесение тонкого (вспомогательного) проводящего покрытия,впоследствии удаляемого с пробельных мест.

В соответствии с ГОСТ 23751—86 конструирование печатных плат следует осуществлять с учетом следующих методов изготовле­ния: химического для ОПП, ГПК; комбинированного позитивного (для ДПП, ГПП); электрохимического (полуаддитивного) для ДПП; металлизации сквозных отверстий для МПП. Все рекоменду­емые методы (кроме полуаддитивного) являются субтрактивными.

Химический метод, или метод травления фольгированного диэлектрика. Метод заключается в том, что на медную фольгу, приклеенную к диэлектрику, на­носят позитивный рисунок схе­мы проводников. Последую­щим травлением удаляется ме­талл с незащищенных участ­ков и на диэлектрике получа­ется требуемая электрическая схема проводников.

Рис. 4.17. Основные этапы получения проводников фотохимическим методом

Наиболее распространен­ными вариантами этого мето­да являются фотохимический и сеточно-химический, которые отличаются способом нанесе­ния защитного слоя (фотопечать или трафаретная печать). Схема типового технологическогопроцесса изготовления печатных плат химическим методом пока­зана на рис. 4.16.

Основными этапами получения проводников являются (рис. 4.17) подготовка поверхности, нанесение слоя фоторезиста, экспо­нирование, проявление схемы, травление фольги, удаление фото­резиста.

Подготовку поверхности фольги выполняют вращаю­щимися латунными или капроновыми щетками. На поверхность фольги наносят смесь маршаллита и венской извести. В результате зачистки желательно получение шероховатости фольги в пределах Ra 2,5...1,25 мкм, что обеспечивает хорошую адгезию фоторезиста и легкое удаление его при проявлении.

Независимо от механической зачистки во всех случаях проводят химическую очистку фольги и нефольгированных поверхностей пла­ты. Ее выполняют в щелочных растворах с последующей промывкой в деионизованной воде. Для нейтрализации остатков щелочи и уда­лении слоя оксидов платы подвергают декапированию в растворесоляной и серной кислот.

Качество очистки влияет на все последующие операции техноло­гического процесса. Результатом плохой очистки могут явиться про­колы, неполное травление меди, отслаивание, недостаточная адгезия фоторезиста и другие дефекты.

Нанесение слоя фоторезиста осуществляют на подго­товленную поверхность фольги (рис. 4.17, а) слоя фоторе­зиста2 и производят его сушку в течение 15...20 мин при темпера­туре 65°С (рис. 4.17, б).

Экспонирование осуществляют при помощи фотошаблона 3 с негативным изображением схемы в вакуумной светокопиро­вальной раме для засвечивания. В качестве источника света ис­пользуют дуговые ртутные и люминесцентные лампы (рис. 4.17, в). Для получения резкого изображения необходим плот­ный контакт между фотошаблоном и фоторезистом.

Проявление схемы состоит в вымывании растворимых участков фоторезиста, находившихся под темными местами негати­ва. Для фоторезистов негативного действия в качестве проявителей используют спиртовые смеси и др. Время проявления (4...3 мин) за­висит от толщины фоторезиста.

Проявление целесообразно выполнять в двух ваннах. В первой ванне удаляется большая часть фоторезиста, а во второй ванне про­изводится тонкое проявление. Загрязнение проявителя во второй ванне будет незначительным, и действие его в течение большоговремени будет стабильным.

Качество полученного слоя можно контролировать путем погру­жения платы в раствор с красителем. Окраска дает возможность визуально определить наличие дефектов в слое фоторезиста. Одна­ко она может снизить кислотоупорность фоторезистивного слоя.

Неизбежные дефекты эмульсионного слоя устраняются ретуши­рованием (обычно эмалью НЦ-25). При этом закрывают точечные отверстия, разрывы, а также удаляют излишки фоторезиста. Трудо­емкость ретуширования зависит от количества дефектов и составля­ет в среднем 10 мин на плату. Снижение трудоемкости ретуширова­ния возможно за счет повышения чистоты и обеспыленности окру­жающей среды.

Полученный защитный слой 4 (рис. 4.17, г) можно подвергать химическому дублению в растворе ангидрида и тепловому дубле­нию (выдержка в термостате приt = 60°C в течение 40...60 мин).Необходимость операции задубливания определяется в каждом от­дельном случае, так как она уменьшает адгезию фоторезиста.

Дальнейшие этапы являются общими для плат, изготовляемых фотохимическим и сеточно-химическим методами.

Травление представляет собой процесс удаления слоя метал­ла для получения нужного рисунка схемы 5 (рис. 4.17, д). Про­цесс травления включает в себя предварительную очистку, собст­венно травление металла, очистку после травления и удаления фоторезиста или краски (рис. 4.17, е).

Механическая обработка платы заключается в штамповании или фрезеровании по контуру и получении отверстий. Для удале­ния пыли и грязи плату обдувают сжатым воздухом.

Химические методы при сравнительно простом технологическом процессе обеспечивают высокую прочность сцепления проводников с основанием (2 МПа), равномерную толщину проводников и их высокую электропроводность. Время химических воздействий на плату в процессе изготовления составляет »=>25 мин. Недостатком химических методов является низкая прочность в местах установки выводов, так как отверстия не металлизируются.

Комбинированный позитивный метод (табл. 4.1). Этот метод применяют для изготовления ДПП и ГПП с металлизированными Отверстиями на двустороннем фольгированном диэлектрике. Прово­дящий рисунок получают субтрактивным методом, а металлизацию отверстий осуществляют электрохимическим методом (рис. 4.18). Поверхность обеих сторон платы / и отверстия 2 подвергают хими­ческому и предварительному гальваническому меднению для полу­чения слоя меди толщиной 5...7 мкм (рис. 4.18, а). После подготов­ки металлизированных поверхностей на них создается негативное изображение схемы проводников 3 (рис. 4.18, б). Это изображе­ние может быть получено с помощью сеткографической краски или сухого пленочного фоторезиста.

Таблица 4.1

Наименование этапа	Комбинированный позитивный метод (материал СФ-2-35)	Электрохимический (полуаддитивный) метод (материал СТЭФ.1-2ЛК)
Механическая обработка до нанесения проводников	Входной контроль фольгированного диэлектрика
	Нарезка заготовки Вскрытие базовых отверстий Сверление отверстий, подлежащих металлизации
Гальванохимическая обработка	Химическая и предварительная гальваническая металлизация 5…7 мкм
	Подготовка металлизированной поверхности заготовки
	Получение рисунка схемы проводников Гальваническое меднение Нанесение защитного покрытия Sn-Pb Удаление фоторезиста или краски
	Травление фольги 40…42 мкм	Травление меди 5…7 мкм
	Оплавление защитного покрытия
Заключительные операции	Обрезка плат по контуру Маркировка, консервация, упаковка

На наружные поверхности, не защищенные резистивной мас­кой, и в отверстия осаждается слой меди4, толщина которого вотверстиях должна быть не менее 25 мкм. Гальваническое осажде­ние меди выполняется на заготовке платы, имеющей сплошной слой фольги, которая защищает поверхность диэлектрика и обеспечи­вает электрический контакт всех элементов схемы. Металлизиро­ванные поверхности покрываются защитным слоем сплава «олово— свинец», толщина которого не менее 10 мкм. Покрытие этим сплавом хорошо защищает медь от травления и после нанесения этогопокрытия участки медной фольги, покрытые ранее фоторезистом, удаляются травлением. После травления на плате остается требуе­мый рисунок схемы 5, образованный облуженной медной фольгой (рис. 4.18, в).

Рис. 4.4. Основные этапы получения проводников комбинированным позитивным методом

Процесс экспонирования двусторонней печатной платы показан на рис. 4.19. В пластину 6 из оргстекла запрессованы два штифта 1. На плату 5, имеющую фольгу 4 с двух сторон, нанесен фоторезист 3. На штифты устанавливают фотошаблон одной стороны платы, а сверху устанавливают другой шаблон 4.

Изображение проявляют под душем приt=40...50°С с легким протиранием поверхности губкой. Процесс проявления ускоряет­ся при наложении ультразвуковых колебаний. Набухание пленкиявляется диффузионным процессом внедрения низкомолекулярно­го раствора в высокомолекулярный слой светочувствительной эмульсии. Диффузия в ультразвуковом поле сильно ускоряется за счет акустических микропотоков. Кавитационные пузырьки прони­кают в образовавшиеся поры и отрывают копировальный слой отповерхности платы.

Удаление продуктов растворения осуществляется акустически­ми течениями, что ускоряет процесс проявления во много раз. Приэтом плата меньше находится в растворе.

Проверка после проявления осуществляется внешним осмотром. Рисунки должны быть четкими и ровными, без подтеков и наплывовэмульсии.

При получении проводников возникают эффекты их разрастания и подтравливания. Если толщина металлического покрытия превы­шает толщину слоя резиста, то начинается боковой рост покрытия с такой же скоростью, что и рост толщины основного покрытия, что приводит к образованию грибообразного сечения проводника (рис.4.20). После покрытия вдоль всего проводника образуются нависаюш.ие хрупкие края из сплаваSnPb. Обламываясь, они образу­ют тонкие заусенцы размером 25...50 мкм, которые трудно обнару­жить невооруженным глазом. Такие заусенцы необходимо удалить, так" как Они могут вызвать замыкание соседних проводников.

tttttttttt

Рис. 4.19. Экспонирование двусторонней печатной платы

Рис. 4.20 Сечение проводни­ков

а — разрастание, б — подтравлива­ние, 1 — сплав «олово — свинец»; 2 — металлизация, 3 — фоторезист; 4 — фольга, 5 — основание печат­ной платы

Электрохимический (полуаддитивный) метод. Данный метод применяют для изготовления ДПП с высокой плотностью токопроводящего рисунка (табл. 4.1). Основное отличие от комбинирован­ного позитивного метода заключается в использовании нефольгированного диэлектрика СТЭФ.1-2ЛК с обязательной активацией его поверхности или диэлектрика слофодит с фольгой 5 мкм.

Разрешающая способность электрохимического полуаддитивно­го метода выше, чем комбинированного позитивного. Это объясня­ется малым боковым подтравливанием, которое равно толщинестравливаемого слоя и при полуаддитивном методе составляет все­го 5 мкм. Метод обеспечивает высокую точность рисунка, хорошее сцепление проводников с основанием и устраняет неоправданный расход меди, который доходит до 80% при использовании фольгированных диэлектриков.

Метод металлизации сквозных отверстий. Метод применяют для изготовления МПП (рис. 4.21). Основные операции технологиче­ского процесса получения печатных проводников показаны на рис. 4.24.

Заготовкииз фольгированного диэлектрика отрезают с при­пуском 30 мм на сторону (рис 4.22, а). После снятия заусенцев по периметру заготовок и в отверстиях поверхность фольги защищают на крацевальном станке и обезжиривают механически (смесью вен­ской извести и наждачного порошка) или химически (путем обра­ботки в соляной кислоте и хромовом ангидриде).

Рисунок схемы внутренних слоев (рис. 4.22,6) вы­полняют химическим методом. При этом противоположная сторона платы не должна иметь механических повреждений и подтравливания фольги. Базовые отверстия получают пробивкой, ориентируясь на метки совмещения, расположенные на технологическом поле. По­лученные заготовки собирают в пакет, перекладывая их склеиваю­щими прокладками из стеклоткани, содержащими до 50% гермореактивной эпоксидной смолы. Совмещение отдельных слоев произво­дят по базовым отверстиям.

Рис. 12 21. Схема типового технологического процесса

изготовления МПП методом металлизации сквозных

отверстий

Прессование пакета (рис. 4.22, в) осуществляется горя­чим способом. Приспособление с пакетом слоев устанавливают на плиты пресса, подогретые до 120...130°С. Первый цикл прессования осуществляют при давлении 0,5 МПа и выдержке 15...20 мин. За­тем температуру повышают до 150.. 160°С, а давление — до 4... 6 МПа. При этом давлении плата выдерживается из расчета 10 мин на каждый миллиметр толщины платы. Охлаждение ведется безснижения давления.

Рис. 4.24. Основные этапы получения печатных проводников МПП

а – изготовление заготовок фольгированного материала и стеклоткани; б – получение рисунка схемы внутренних слоев; в – прессование МПП; г – сверление отверстий, предварительная металлизация, получение рисунка схемы наружных слоев МПП; д – окончательная металлизация отверстий, нанесение защитного покрытия; е – травление меди с пробельных мест

Важным моментом в процессе прессования является приложе­ние максимального давления именно в тот момент, когда смола пе­реходит в состояние геля. Если приложить давление, когда смоланаходится в жидком состоянии, значительное количество ее будет выдавлено и в готовой плате образуются пустоты. Если приложить давление после того, когда смола из состояния геля перейдет в твердое состояние, между слоями возникает плохая связь.

Для определения состояния геля ведут наблюдение за кромкой пакета. Через несколько минут на ней после предварительного сжа­тие появляется и начинает пузыриться смола. Момент, когда смола перестанет пузыриться (обычно через 1...2 мин), соответствует на­ступлению геля. В это время надо приложить полное давление. Воздух, находящийся между слоями, проходит через размягченную смолу и выходит наружу. Частично он задерживается у краев, об­разуя пустоты, которые удаляются при обрезке краев платы. Во избежание коробления после обрезки краев рекомендуется платузажать между двумя пластинами и поместить на 40 мин в печь при t=125°С.

Сверление отверстий выполняют на станках с ЧПУ. Перед свер­лением на обе стороны заготовки наносят защитный слой лака. В процессе механической обработки платы загрязняются. Для уст­ранения загрязнения отверстия подвергаются гидроабразивному воздействию, что позволяет удалить заусенцы на фольге, образую­щиеся при сверлении, и очистить от эпоксидной смолы торцы кон­тактных площадок внутренних слоев. При большом числе отверстий целесообразно применять ультразвуковую очистку, которая обеспе­чивает интенсивное перемешивание раствора за счет акустических течений и повышенную способность проникновения раствора в мель­чайшие отверстия. После очистки и обезжиривания плату промыва­ют в горячей и холодной проточной воде. Затем выполняются химическаяи предварительная электролитическая ме­таллизацииотверстий и опера­ции для получения рисунка на­ружныхслоев(рис. 4.22, г). При окончательной электроли­тической металлизации необходи­мо получить равномерное по тол­щине покрытие в отверстиях с тол­щиной слоя меди не менее 25 мкм (рис. 4.22, д). Все наружные по­верхности платы, не защищенные фоторезистом, и отверстия покры­вают защитным сплавом «оло­во — свинец». После этого фоторезистивную маску удаляют.

Схему проводников на наружных слоях получают травлени­ем (рис. 4.22,е). Для обеспечения равномерного травления по­верхность фольги зачищают смесью венской извести и наждачного порошка.

Вследствие травления фольги в отверстиях многослойных плат остается большое количество шлака, который удаляют путем очист­ки при воздействии ультразвуковых колебаний.

Механическая обработка по контуру, получение конструктивных отверстий и пазов осуществляются на фрезерных, координатно-сверлильных и других станках. После окончательного контроля платыподвергают консервированию флюсом ФКСП (канифоль и спирт этиловый).

Метод металлизации сквозных отверстий с внутренними перехо­дами (рис. 4.23). Этот метод отличается от рассмотренного выше наличием дополнительных операций, связанных со сверлением от­верстий в отдельных слоях платы и их металлизацией.

Рис. 4.23. Многослойная печат­ная плата с внутренними перехо­дами:

1 — проводник; 2 — межслойный ди­электрик; 3 — внутренний металлизиро­ванный переход; 4 — металлизирован­ный переход между наружными сло­ями

Технологический процесс изготовления печатных плат субтрактивными методами имеет ряд недостатков: значительный расход медной фольги; боковое подтравливание, ухудшающее механические и электрические характеристики печатных плат; высокая трудоемкость изготовления и ограниченные возможности повышения плотности монтажа.

С внедрением МПП рост плотности монтажа происходит за счет увеличения числа слоев, а плотность печатного рисунка слоев практически оставалась на прежнем уровне. По технологическим осо­бенностям увеличение числа слоев больше 10...12 является нецеле­сообразным. Многослойные печатные платы обладают высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, однако ихпроектирование и производство сопряжены с большими трудно­стями.

Полуаддитивные методы изготовления позволяют повысит плотность печатного монтажа, значительно уменьшить подтравливание проводников и сократить количество операций технологиче­ского процесса. Стоимость таких плат на 20% ниже стоимости ДПП, изготовленных субтрактивными методами. Основной пробле­мой является повышение качества материалов и технологического оборудования.

Заключительный этап производства печатных плат — контроль механических и электрических свойств. Перед контролем платы подвергаются воздействию нагрузок, которые моделируют условия эксплуатации и транспортировки (удары, вибрации, тепловые воз­действия и др.).

При контроле механических свойств проверяют наличие тре­щин и царапин на металлической фольге, форму отдельных эле­ментов платы, качество соединений проводников с контактными площадками, неплоскостность платы, толщину и непрерывность слоя меди в отверстиях, степень подтравливания проводников, величину адгезии проводников и др. Контроль может быть раз­рушающий (например, изготовление и оценка шлифов) и неразрушающий (визуальный, радиационный и др.).

При контроле электрических свойств, проверяется наличие всех электрических соединений и изоляции между проводниками. Дефекты изоляции возникают вследствие образования перемычек (остатки меди после травления), уменьшения расстояния междупроводниками из-за погрешностей оригинала рисунка.