Размещено на http://www.Allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Оборудование и средства технического оснащения

1.2 Пленочный фоторезист. Изготовление печатных плат

1.3 Фотохимические процессы

2. Практическая часть

2.1 Расчет материала при изготовлении двухсторонних печатных плат

2.2 Структура себестоимости

Заключение

Список использованных источников

Введение

Основной целью настоящей практики является получение первичных профессиональных умений и навыков.

Задачами практики в связи с указанной целью являются

1. Ознакомиться с организационной структурой отдела, техническими характеристиками выпускаемой продукции.

2. Изучить фотохимические процессы, происходящие при изготовлении двухсторонних печатных плат.

3. Выполнить расчет расхода материала и трудоемкости производства.

4. Провести критический анализ оптимальных режимов изготовления печатных плат, выявить структуру себестоимости.

5. Ознакомиться с описанием и принципами работы оборудования и технического оснащения для изготовления печатных плат.

6. Ознакомиться с методами проектирования и производства печатных плат.

1. Теоретическая часть

1.1 Оборудование и средства технического оснащения

Производственная практика проходила в ФГУП "18 ЦНИИ" Министерства Обороны Российской Федерации в отделе проектирования и изготовления печатных плат. Структура отдела: Сектор изготовления печатных плат, сектор проектирования печатных плат, технологическая группа. Характеристика выпускаемой продукции: односторонние печатные платы, двухсторонние, многослойные (до 10-12 слоев) печатные платы (4-5 класса точности).

Печатная плата -- пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой [16]. Печатный монтаж -- способ монтажа, при котором электрическое соединение элементов электронного узла, включая экраны, выполнено с помощью печатных проводников. Печатная схема -- схема, полученная путем печати и включающая печатные элементы, проводящий рисунок, или их комбинацию, образованные в предварительной конструкции или подсоединенные к поверхности общего основания [1].

Оборудование должно выбираться исходя из поставленной задачи, понимания особенностей технологического процесса и знания современных решений, предлагаемых производителями оборудования, а результатом выбора должен стать комплект технологического оборудования или отдельные его единицы, позволяющие выполнять операции, контролировать качество и управлять технологическим процессом [3].

Наиболее общими показателями уровня сложности печатных плат являются ширина проводников и зазоров, диаметр отверстий межслойных переходов. Тенденция развития печатных плат характеризуется уменьшением ширины проводников и зазоров, увеличением количества сквозных и межслойных переходов за счет уменьшения их размеров и использования поверхностных контактных площадок для присоединения выводов современных электронных компонентов [3].

Основными факторами, влияющими на результат фотохимического процесса, являются: тип установки экспонирования и проявления; точность изготовления фотошаблонов; точность совмещения; чистота помещений и их климатические условия; [3].

Необходимый комплект оборудования для изготовления двухсторонних печатных плат представлен в таблице 1.

Таблица 1

Комплект оборудования

Для достижения высокого технического уровня сложности печатных плат недостаточно укомплектовать производство прецизионным оборудованием, обязательным становится дополнительное инженерное обеспечение условий производства - создание гермозон с атмосферой, контролируемой по запыленности, температуре, влажности и избыточному давлению [3].

На многих предприятиях используются фотоплоттеры. Фотоплоттер - это электромеханическая оптическая машина, которая обнаруживает скрытое изображение на среде, обычно высококонтрастной монохроматической (черно-белой) фотографической пленке, используя источник света под компьютерным управлением. Как только этап экспозиции завершен, носитель обрабатывается в кинопроцессоре с использованием раствора проявителя, а также фиксирует, промывает и сушит. Можно создать практически любой образ с помощью фотоплоттера. Фотопластины используются в основном для производства печатных плат. Другие области применения включают химическое фрезерование и специализированную графику. Использование фотоплоттера - это первый шаг изготовления фотолитографических масок для печатных плат. В индустрии печатных плат эти маски называются фотопластинами и обычно ограничены характеристиками 20 мкм или более. Интегральные схемы выполнены аналогичным образом с использованием фотомасок с размерами субмикрометра; Фотомаски традиционно изготавливаются фоторезистивным фотоплоттером. Изображение фотоплоттера представлено на рисунке 1 [14].

Рисунок 1. Фотоплоттер

Элементы печатной платы -- проводники, контактные площадки, экраны, вырезы на экранах, зазоры, отверстия, маркировка и т.д. [1].

1.2 Технологический процесс. Изготовление печатных плат

Методы изготовления ПП разделяют на две группы: субтрактивные и аддитивные. В субтрактивных методах в качестве основания для печатного монтажа используют фольгированные диэлектрики, на которых формируется проводящий рисунок путем удаления фольги с непроводящих участков. Аддитивные методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание, на которое предварительно может наноситься слой клеевой композиции. Несмотря на несомненные преимущества, применение аддитивного метода в массовом производстве 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 тонкомерной фольгой. По субтрактивной технологии рисунок проводников получается травлением медной фольги по защитному изображению в фоторезисте или металлорезисте.

Применяются три разновидности субтрактивной технологии

Первый - негативный процесс с использованием сухого пленочного фоторезиста. Металлизация внутренних стенок отверстий не выполняется. Заготовка - фольгированный диэлектрик. Методами фотолитографии с помощью сухого пленочного фоторезиста на поверхности фольги формируется защитная маска, представляющая собой изображение (рисунок) проводников. Затем открытые участки медной фольги подвергаются травлению, после чего фоторезист удаляется.

Второй вариант - позитивный процесс. Создается проводящий рисунок двухсторонних слоев с межслойными металлизированными переходами (отверстиями). В процессе фотолитографии защитный рельеф получают на местах поверхности металлизированной фольги, подлежащей последующему удалению травлением. Процесс более сложный, однако, с его помощью удается получить металлизированные стенки отверстий.

Третий вариант - так называемый тентинг-процесс. Как и в позитивном процессе, берется заготовка в виде фольгированного диэлектрика, формируются отверстия, проводится предварительная металлизация всей платы, включая внутренние стенки отверстий. Затем наносится слой, который формирует маску во время фотолитографии в виде рисунка печатных проводников и образует завязки - тенты над металлизированными отверстиями с защитой [17]. Исходным материалом при изготовлении печатных плат служит фольгированный диэлектрик, т.е. изоляционный материал, обычно стеклотекстолит, на поверхность которого с одной или двух сторон наклеена медная фольга толщиной 35--50 мкм. На поверхность медной фольги вначале износится защитный рисунок (рельеф) таким образом, чтобы он защитил проводники при вытравливании меди. Защитный рисунок схемы выполняется стойкими к воздействию травильных растворов материалами. Затем следует операция травления, в результате которой полностью вытравливается медь и создается проводящий рисунок.

В зарубежной практике данный способ называют субтрактивным. Отверстия для установки выводов электрорадиоэлементов (резисторы, конденсаторы и т.д.) сверлятся или штампуются после вытравливания меди и не металлизируются. Пайка выводов электрорадиоэлементов производится непосредственно к контактным площадкам печатных проводников. Химический метод применяется главным образом в производстве плат широковещательной радиоаппаратуры. Электрохимический способ в зарубежной литературе и частично в отечественной практике называют полуаддитивным от латинского слова «additio» (сложение), так как проводящий рисунок создается в результате электрохимического осаждения металла, а не вытравливания. Приставка «полу» означает, что в технологии изготовления сохранена операция травления тонкого слоя металла, который образуется по всей поверхности платы при химической металлизации [4].

Рисунок 2. Пайка выводов электрорадиоэлементов

Электрохимический способ предусматривает получение металлизированных отверстий одновременно с проводниками и контактными площадками. Комбинированный способ представляет собой сочетание первых двух способов. Исходным материалом служит фольгированный с двух сторон диэлектрик, поэтому проводящий рисунок получают вытравливанием меди, а металлизация отверстий осуществляется посредством химического омеднения с последующим электрохимическим наращиванием слоя меди. Пайка выводов электрорадиоэлементов производится посредством заполнения припоем монтажных отверстий в плате. На рис. 2 показана структура платы, изготовленной комбинированным методом [4].

Рисунок 2 Структура печатной платы, изготовленной комбинированным методом: 1 -- диэлектрик; 2 -- медная фольга; 3 -- металлический слой

Существует очень много материалов, обладающих способностью полимеризоваться под действием света, однако в практике производства печатных плат применяют фоторезисты на основе поливинилового спирта (ПВО), фоторезисты на основе диазосоединений, ФПП и фоторезист «холодная эмаль». Фоторезист на основе ЛВС. Поливиниловый спирт -- синтетический полимер, хорошо растворимый в воде. При добавлении к нему бихромата аммония происходит «очувствление» ПВС и превращение его в фотополимерный материал. По ГОСТ 10779--78 выпускается ПВС марок 7/1, 11/2 и 15/2 для производства печатных плат. Фоторезист, содержащий 70--120 г/л поливинилового спирта, 8--10 г/л двухромовокислого аммония и 100--120 мл/л этилового спирта, обычно наносится в два слоя окунанием в него плат и медленным вытягиванием их из раствора. Первый слой подсушивается при 25--35°С в течение 20--30 мин, второй -- при температуре 35--45°С в течение 60 мин. Экспонирование изображения осуществляется в вакуумных рамах под действием ртутно-кварцевых ламп ДРГТ-3000 в качестве источников света. Проявление изображения производится следующим образом: вначале плату погружают в раствор метилвиолета (2--3 г/л) на несколько секунд, а затем, окунув ее в теплую воду, или под струей теплой воды поверхность платы протирают с помощью поролоновой губки. Окраска нужна для контролирования качества проявления. После промывки в воде следует химическое дубление в растворе хромовой кислоты (50 г/л) в течение 1--2 мин. После тщательной промывки и сушки воздухом производят термическое дубление при температуре 100--120°С в течение 3 ч для придания фоторезисту повышенной химической стойкости. Фоторезист на основе ПВС нетоксичен, обладает хорошей разрешающей способностью (50 линий на 1 мм), прост в приготовлении и употреблении. Однако он обладает и рядом недостатков: «темновое дубление» (задубливаиие в темноте), нестабильность свойств под влиянием повышенной влажности и температуры окружающей среды, недостаточная устойчивость против воздействия растворов гальванических ванн и особенно борфтористоводородных электролитов. Фоторезисты на основе диазосоединений. Эти фоторезисты являются позитивными по способу образования рисунка, т.е. при экспонировании они разрушаются под действием света. Фоторезисты этого типа характеризуются очень высокой разрешающей способностью (350--400 линий на 1 мм), отсутствием «темнового дубления» и повышенной химической стойкостью, однако они еще очень дорогие, токсичные и применяются только в технически обоснованных случаях. Светочувствительность обусловлена наличием «диазогрупп» --N=N--, которые под действием света разлагаются и образуются продукты в виде сложных органических кислот. Эти продукты в щелочной среде образуют хорошо растворимые соли, которые способствуют проявлению рисунка.

Рисунок 3 Структура пленочного фоторезиста: 1 -- полиэтиленовая пленка; 2 -- сухой фоторезист; 3 -- пленка лавсана

Фоторезист ФПП. Фотополимер для печатных плат ФПП выпускается в виде готового продукта по ТУ НУО. 028.012. Фоторезист обладает хорошей устойчивостью к электролитам, механически прочен, имеет хорошую адгезию к подложке и большую разрешающую способность. Однако высушенный слой фоторезиста весьма чувствителен к кислороду, который ингибирует эффект фотополимеризации. Для защиты от воздействия кислорода фоторезист покрывают лавсановой пленкой или наносят тонкий слой ПВС. Фоторезист «холодная эмаль» является продуктом, аналогичным фоторезисту ФПП, и приготавливается непосредственно на предприятии из отдельных компонентов, к которым относятся бензолформальдегидная смола, сухой сополимер, полиэфир ТГМ, гидрохинон, метилвиолет, растворенный в этиловом спирте (на 1 л фоторезиста необходимо 820 мл спирта). Этот тип фоторезиста также обладает рядом преимуществ перед составом на основе ПВС, в частности большей химической стойкостью, прочностью, стабильностью, и характеризуется отсутствием «темнового дубления».

Формирование защитного рельефа с помощью фоторезиста ФПП производится в той же последовательности операций, что и для фоторезиста ПВС. Проявление рисунка производится раствором двууглекислого натрия (концентрацией 40 г/л) или соды кальцинированной (концентрацией 40 г/л) при температуре 35--40°С.

Рисунок 4 Схема нанесения пленочного фоторезиста: 1 -- бобина для намотки полиэтиленовой пленки; 2 -- рулон фоторезиста; 3 -- отделительный валик; 4 -- прижимной валик; 5 -- плата

В операции дубления нет необходимости, так как защитный рисунок создается весьма устойчивой пленкой. Из отработанного проявителя можно утилизировать фоторезист, добавляя к проявителю 10%-й раствор серной кислоты до рН 5--6 (по индикаторной бумаге). Компоненты фоторезиста выпадают в осадок, который отфильтровывается бумажным фильтром, подсушивается на воздухе и вторично используется для приготовления фоторезиста в виде спиртового раствора.

Существенным недостатком жидких фоторезистов всех типов является почти полная невозможность их использования в базовой технологии для нанесения на заготовки плат с просверленными отверстиями, так как при заливке отверстий жидкими фоторезистами образуются вытяжки, неровности и другие дефекты, затрудняющие фотопечать. Другим их недостатком является малая толщина слоя защитного рисунка, вследствие чего при гальванических операциях осаждаемый металл, разрастаясь, образует грибовидную форму проводника. Однако использование фоторезиста ФПП в базовой технологии имеет место в тех случаях, когда фоторезист наносится на заготовку с металлизированными отверстиями на валковых установках. Тогда он не попадает в отверстия. Для защиты при экспонировании поверхностного слоя фоторезиста от воздействия кислорода и озона на плату наносят окунанием слой желатины, который легко удаляется в процессе проявления. В таблице 2 приведены основные неполадки при получении защитного рисунка с помощью пленочных фоторезистов.

Таблица 2

Основные неполадки [17]

1.2 Фотохимические процессы

фотохимический пленочный печатный фоторезист

Фотохимия - раздел химической науки о превращениях веществ под воздействием света. Свет - это довольно узкая область в спектре электромагнитного излучения, которая простирается в пределах от далекого ультрафиолета до ближайшей инфракрасной области. По современным представлениям свет проявляет как волновые свойства, которые позволяют объяснить явления отражения, преломления, дифракции, интерференции и поляризации света, так и корпускулярные свойства, объясняющие фотоэффект, эффект Комптона, излучение черного тела. Для понимания и объяснения фотохимических процессов используют представления о корпускулярных свойствах света, когда световое излучение распространяется в пространстве дискретными порциями - квантами, или фотонами. Энергия кванта или фотона пропорциональна частоте излучения [5]: E = h

Фотохимический метод в производстве печатных плат заключается в переносе изображения с негатива или диапозитива на светочувствительный слой, нанесённый на металлизированную поверхность заготовки и проявлении. В основе метода лежит использование фотохимических реакций [6].

Под печатной платой понимают соединения из изоляционного основания и металлических слоев, которое служит для электромонтажа элементов и узлов, соединения их в электрическую цепь для передачи электрических сигналов, а также их механического закрепления. Печатная плата с установленными на ней ЭРЭ представляет собой печатный узел.

Система электрических соединений в виде участков металлического покрытия, используемая вместо объемных проводников называется печатным монтажом. Проводники, лежащие в одной плоскости, называются печатным рисунком. Основой печатных плат является диэлектрик с высокой химической и термической стойкостью, минимальной деформацией и фотопоглощением (до 0,5). Удельное сопротивление не менее 1010 Ом. В качестве диэлектрика печатных плат широко используются стеклотекстолит. Стеклотекстолит фольгированный получают склеиванием стеклотекстолита и медной фольги на гидравлических прессах.

Фотохимический метод заключается в переносе изображения с негатива или диапозитива на светочувствительный слой, нанесённый на металлизированную поверхность заготовки и проявлении. В основе метода лежит использование фотохимических реакций. При поглощении света происходит разложение превращения полимеров в светочувствительном слое, типа деструкции, структурирования и образования разветвлённых систем. Спектр солнечного света содержит 5-7% ультрафиолетовых лучей и не разрушает полимеров. Для фотолитографических процессов используются искусственные источники света. Перенос рисунка печатных проводников на фольгированный диэлектрик осуществляется с помощью фоторезистов. Фоторезисты образуют устойчивый к травлению слой толщиной 10-30 мкм. Фоторезисты - это светочувствительные (фото) и устойчивые к воздействию (резисты) агрессивных факторов: нагревание, химическое травление композиции. Негативные фоторезисты под действием актиничного излучения (вызывающего активизацию фоторезиста) в результате фотополимеризации и задубливания перестают растворяться и остаются на поверхности подложки. Позитивные фоторезисты передают рисунок фотошаблона, т.к. экспонированные участки разрушаются и вымываются. При работе с негативными фоторезистами негатив.

Проекционное экспонирование света позволяет исключить дифракционные явления, контакт фотошаблона с заготовкой и увеличивает его срок службы, процесс автоматизирован [7]. Плата, изготовленная с помощью фотолитографии, представлена на рисунке 5.

Рисунок 5

Подготовка поверхности печатной платы является важной операцией, от которой зависит адгезия наносимых впоследствии слоёв. Поверхность фольги подвергается механической обработке смесью маршалита с полировальной известью и промывается. Затем химическая подготовка поверхности заключается в обезжиривании в горячем щелочном растворе (сода, + ПАВ) или в органических растворителях (спирт, ацетон), подтравливают в растворе хромового ангидрида или персульфата аммония и промывка водой. Сушка осуществляется при 80 - 100⁰С в течении 10 минут. В специальном очистителе на основе и ПАВ платы одновременно обезжириваются и частично подтравливаются. Отверстия после сверления подвергаются гидроабразивной обработке для удаления заусенец и насоса эпоксидной смолы с помощью пистолетов - распылителей водной суспензии карбида бора или электрокорунда. Для снятия окислов применяется вращающиеся щетки или круги из нетканого нейлона насыщенные абразивным материалом с одновременной подачей воды. Контроль чистоты производится по полноте смачивания фольги водой. Поверхность диэлектрика для химического осаждения меди подвергают механической обработке - пескоструйной или гидроабразивной с порошком , затем платы промывают тёплой водой с протиркой щётками. Для получения микро-шероховатостей (для лучшей адгезии слоя меди) и повышения скорости связывания (увеличение функциональных групп) производится химическое модификация - обработка в растворах +, содержащих и концентрированной . Поверхностный слой диэлектрика частично разрушается с присоединением - и -групп. Затем платы промывают, нейтрализуют и снова промывают.

2. Практическая часть

2.1 Расчет материала при изготовлении двухсторонних печатных плат

Каждая печатная плата регистрируется маршрутной картой, используемой при расчете. Маршрутная карта двухсторонней печатной платы приведена на следующем рисунке.

Рисунок 6

При изготовлении печатных плат требуется большее количество материала, чем его тратится на полезную работу, т.к. существуют так называемые незапланированные потери. Коэффициенты потерь приведены в следующей таблице 3.

Таблица 3

Коэффициенты потерь

Так как, согласно маршрутной карте количество деталей при изготовлении двухсторонней печатной платы будет равным двум, то с учетом технологического запаса это значение необходимо умножить на коэффициент потерь при раскрое стеклотекстолита:

1) 2*1,1 = 2,2 ? 3 - количество деталей с учетом технологического запаса

Так как, согласно маршрутной карте количество заготовок при изготовлении двухсторонней печатной платы будет равным одной штуке на шесть деталей, то необходимо взять одну заготовку:

2) 6/3 = 2 ? 1 - количество заготовок

Площадь заготовки определяется размерами деталей. Так как согласно маршрутной карте размер составляет 230 мм /180 мм, то площадь заготовки будет равным:

3) 2,3*1,8 = 4,14 дм2 - площадь заготовки

С учетом коэффициента потерь при раскрое стеклотекстолита площадь заготовки составит:

4) 4,14*1,075 = 4,4505 дм2 - площадь заготовки с учетом коэффициента потерь

Следующим этапом рассчитывается материал при эксплуатации гетинакса. Так как гетинакса при изготовлении двухсторонних печатныхплат всегда требуется в два раза больше, то можно предыдущие результаты умножить на два:

1) 3*2 = 6 - количество деталей с учетом технологического запаса

2) 1*2 = 2 - количество заготовок

3) 4,14*2 = 8,26 дм2 - площадь заготовки

4) 4,4505*2 = 8,901 дм2 - площадь заготовки с учетом коэффициента потерь

Последним этапом рассчитывается материал при изготовлении и эксплуатации фоторезиста. Ширина бобины, из которой изготавливается фоторезист, всегда составляет 300 мм, поэтому, расположив в правильном порядке (с наименьшими потерями) шаблоны, мы сможем посчитать материал:

1) 0,300*0,180*2 = 0,108 м2- площадь бобины

2) 0,108*1,2 = 0,1296 м2 - площадь бобины с учетом коэффициента потерь

В таблице 4 представлены сводные результаты:

Таблица 4

Сводная таблица результатов

2.2 Структура себестоимости

При расчете структуры себестоимости необходимо учитывать затраты на оборудование, на электроэнергию, заработная плата рабочим, расходы по обслуживанию и управлению производством. В таблице 5 приведен краткий расчет наиболее общих затрат:

Таблица 5

Общие затраты

Рассчитаем цену материала, количество которого было рассчитано в предыдущей главе. Рассчитаем цену эксплуатации фоторезиста. Ширина бобины составляет 300 мм. Цена за один погонный метр составляет 130,0 руб. В нашем случае требуется 0,360 погонных метров:

1) 0,180*2 = 0,360 м.

2) 0,360*130 = 46,8 руб.

Следовательно, цена использования фоторезиста при изготовлении двухсторонней печатной платы составляет 46,8 руб.

Заключение

В процессе прохождения практики ознакомились с организацией охраны труда, системой менеджмента и качества. Изучена организационная структура отдела, функциональные обязанности отдела конструирования и изготовления печатных плат.

Так же были получены знания о средствах технического оснащения и технологическом, вспомогательном и лабораторном оборудовании предприятия по производству изделий и плат.

Изучили нормативные документы по проектированию и изготовлению печатных плат. Они представлены ГОСТами, отраслевыми стандартами и стандартами предприятия. Были решены следующие задачи: структурные особенности производства двухсторонних печатных плат, различные способы изготовления, фотохимические процессы производства плат. Из всего многообразия методов, познакомились с базовым комбинированным методом изготовления печатных плат.

Проведен анализ отечественных и зарубежных литературных источников о методах фотолитографии для изготовления двухсторонних печатных плат.

Итогом работы стал расчет материалов для изготовления двухсторонних печатных плат, определение структуры себестоимости и трудоемкости производства.

Список использованных источников

1. Селянин В.И. Технология и оборудование производства электрической аппаратуры. - М.: Энергия, 1980.

2. Ильин В.А. Технология изготовления печатных плат. - Л.: Машиностроение, 1984. - 77 с

3. Возмилова, Л.Н. Травление полупроводников / Л.Н. Возмилова, В.М. Луфт и др. М.: Наука, 1989.

4. Черняева, В.Н. Технология эпитаксиальных слоев арсенида галлия / В.Н. Черняева, Л.В. Кожитов. М.: Энергия, 1974.

5. Кофанов Ю.Н. и др. Автоматизация проектировании РЭС. Топологическое проектирование печатных плат: пособие. - Красноярск: ИПК СФУ, 2008.

6. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. -260 с.

7. Медведев А.М. Технология производства печатных плат. - М.: Техносфера, 2005. - 360 с.

8. Медведев А.М. Технология производства печатных плат. - М.: Техносфера, 2005. - 360 с.

9. Медведев А.М. Контроль и испытания плат печатного монтажа. М.: Энергия, 1975. 151 с.

10. Печатная плата - электронный ресурс

Размещено на Allbest.ru