Технология изготовления печатных плат

1. Технология производства печатной схемы

1.1 Методы изготовления печатных плат

Основные методы изготовления печатных плат представлены на рисунке. Чаще всего в настоящее время используется метод травления фольги -- субтрактивный метод. Растущее значение приобретают различные варианты аддитивного метода и метода наращивания слоев печатной платы.

1.2 Субтрактивный метод

Субтрактивный метод в настоящее время самый распространенный и лучше освоен технологически. В качестве исходного материала используются одно- или двухсторонние фольгированные (в основном фольгированные медью) диэлектрики; после переноса рисунка печатных проводников в виде защитной резистивной пленки на фольгированную основу не покрытые резистом места удаляются с помощью травления. На защищенный резистом рисунок проводников травители не оказывают действия.

Перенос рисунка печатных проводников на фольгированный диэлектрик, т.е. создание покрытия, устойчивого к травлению, осуществляют методом трафаретной печати, фотопечати и офсетной печати.

При трафаретной печати резисты, нанесенные через сетчатый трафарет на материал основы, образуют устойчивый к травлению слой толщиной 10 -- 30 мкм. Особенно эффективен и экономичен этот метод при использовании автоматического оборудования при больших сериях. В серийном производстве он используется в первую очередь в том случае, когда структура рисунка печатных проводников не приводит к повышенным требованиям по допускам.

При методе фотопечати поверхность фольгированного диэлектрика покрывают светочувствительным позитивным или негативным фоторезистом, на который копируют рисунок расположения проводников. Метод фотопечати по отношению ко всем другим методам создания защитных рельефов обеспечивает самую высокую точность, а также лучшую четкость и резкость контуров. Поэтому в серийном производстве этот метод используется там, где к рисунку предъявляются высокие требования по допускам, например при изготовлении двухсторонних или многослойных печатных плат с межслойными переходами. Для индивидуального и опытного производства этот метод экономичнее, чем трафаретной печати, так как отпадает необходимость изготовления относительно дорогостоящего сетчатого трафарета.

Метод офсетной печати в технологии печатных плат используется относительно редко и в основном только для больших серий, так как иначе из-за больших затрат на техническое оснащение он становится неэкономичным. Достигаемое качество и точность рисунка печатной платы остаются ниже, чем при методе фотопечати.

Основой для работы при всех методах служат позитивные или негативные фотошаблоны, получаемые путем фотокопирования оригинала рисунка печатной платы. В большинстве случаев используются фотопленки и, только при высоких требованиях к допускам, фотопластины. Позитивные и негативные фотошаблоны при фотопечати используются непосредственно для создания защитного рельефа, в то время как при трафаретной печати они служат для изготовления трафарета, а при методе офсетной печати -- для изготовления клише.

Наряду с многочисленными преимуществами (как изготовление односторонних печатных плат без применения процессов металлизации, хорошая адгезия фольги печатных проводников и т. д.) метод травления фольги обладает также рядом существенных недостатков:

- для фольгирования диэлектриков необходима высококачественная электролитическая медная фольга;

- высоки потери меди, так как приблизительно 60--90% медной фольги удаляется в результате процесса травления;

- важна проблема сточных вод, так как регенерация меди и соответственно нейтрализация травильной ванны в общем экономичны только для больших предприятий с высокой производительностью;

- для печатных плат с металлизированными отверстиями необходимы дополнительные химические или гальванические процессы, а также особые защитные покрытия, стойкие к травлению;

- существенное уменьшение площади электромонтажа для МПП, выполненных методом открытия контактных площадок.

1.3 Изготовление односторонних печатных плат

Односторонние печатные платы при использовании техники травления фольги могут быть изготовлены позитивным и негативным методом, представленными на рисунках. Методы характеризуются видом рисунка печати, переносимого на фольгированный диэлектрик. В позитивном методе защитный рельеф предохраняет фольгу при травлении, а в негативном методе -- при гальваническом осаждении.

В обоих методах используют односторонний фольгированный диэлектрик, на который после тщательной зачистки медной поверхности наносится на основе фоторезистов позитивный или негативный рисунок печатной платы.

При позитивном методе непокрытые защитным рельефом участки медной фольги удаляются травлением. После этого химическим или механическим путем удаляется фоторезист и пробиваются отверстия. Только при очень небольших сериях отверстия сверлят. Для облегчения монтажа навесных элементов можно со стороны их установки на печатной плате наносить маркировку, а в случае небольших зазоров между проводящими участками в месте пайки -- защитные маски для пайки.

При позитивном методе формируются незащищенные слои меди, которые в атмосфере быстро покрываются непроводящими или плохо проводящими пленками, вследствие чего ухудшаются электрические свойства печатных плат и работа печатных контактов. Поэтому печатные платы покрываются защитным лаком. Часто по функциональным причинам бывает необходима металлически чистая поверхность (печатные вилки, контактные площадки для радиодеталей со штыревыми выводами, поверхность контакта). В этом случае полученные позитивным методом слои, меди печатных плат после травления плакируются, при этом должно быть обеспечено электрическое соединение всех проводников. Недостатком позитивного метода являются повышенные требования к сцеплению фольги с диэлектриком при наращивании. Поперечное сечение проводящего слоя, полученного позитивным методом, представлено на рисунке 7.2.

При негативном методе после создания защитного рельефа производится гальваническое покрытие медных поверхностей, не защищенных фоторезистом. Тип наносимого материала определяется функцией слоя. Последующими операциями являются удаление фоторезиста и травление, при котором гальванически осажденные слои служат защитной маской. Негативный метод может быть использован при изготовлении всей печатной платы или только отдельных элементов рисунка. Если печатные проводники только частично плакированы или функционально обусловленный металлический слой не устойчив при травлении, то необходимо все другие элементы или весь рисунок печатной платы перед процессом травления покрыть лаком. Специальным видом однослойных печатных плат являются платы с углубленными проводниками, изготавливаемые из предварительно недополимеризованного диэлектрического материала. После того, как они пройдут технологический цикл, обычный для производства односторонних печатных плат позитивным методом, проводящие слои в процессе штамповки вдавливаются в диэлектрик, который в это время затвердевает.

1.4 Изготовление двухсторонних печатных плат с переходными соединениями

В основе технологии изготовления двухсторонних печатных плат с переходными соединениями методом травления фольги лежат те же процессы, что и при создании односторонних печатных плат, дополненных созданием переходных соединений. Их реализация, т. е. электрическое соединение двух сторон печатной платы, является самой критичной технологической операцией. Имеются многочисленные попытки удовлетворительно решить эту проблему. Методы, основанные на впаивании проволоки или штифтов или на применении полых заклепок, малопригодны для массового производства и характеризуются относительно низкой надежностью.

В настоящее время для электрического соединения рисунков проводников двухсторонних печатных плат применяют только металлизацию отверстий. Их получают комбинированным химико-гальваническим методом, который является типичным методом массового производства и тем самым соответствует другим технологическим процессам, применяемым при производстве печатных плат.

Принципиальная схема технологического процесса изготовления двухсторонних печатных плат с металлизированными отверстиями представлена на рисунке.

Путем сверления материала основы создают отверстия, предназначенные для металлизации. Пробивка в этом случае непригодна, так как при этом структура материала на стенках отверстий более или менее разрушается, в то время как при сверлении получаются чистые и гладкие стенки отверстий. Затем проводят сенсибилизацию в растворе двухлористого олова и активацию в растворе хлористого палладия, после чего осуществляют химическое меднение всей поверхности печатной платы. Схема технологического процесса, представленная на рисунке 7.4, предусматривает химическое осаждение слоя меди толщиной 5 мкм, после которого следует создание защитного рельефа на основе фоторезиста с обеих сторон печатной платы методом трафаретной печати или фотопечати. Покрытые медью участки, соответствующие рисунку печатной платы, остаются свободными, при последующих гальванических процессах они утолщаются и покрываются устойчивым к травлению металлом (плакирование ПП). Для этого в основном используется покрытие сплавом олово -- свинец, которое не только служит защитным слоем при травлении, но и облегчает впоследствии процесс пайки. Золото преимущественно используется в том случае, если на печатной плате создаются участки поверхности для переключающих контактов или печатных соединителей.Метод имеет ряд вариантов, состоящих в гальваническом наращивании меди на всю поверхность печатной платы (полное плакирование), вследствие чего возникают значительные потери меди при травлении и сильное подтравливание проводников, или же в химическом осаждении слоя меди толщиной только 1 мкм, который усиливается до 5 мкм перед созданием защитного рельефа; кроме того, используют фольгированные диэлектрики с толщиной фольги только 5 мкм.

Редко используют такие методы защиты, при которых после химического и гальванического меднения защитный рельеф для последующего травления создается на основе фоторезиста. Сложность таких методов состоит в трудностях создания хорошей защиты от травления на краях отверстий, полного удаления защитной пленки из отверстий и обеспечения хорошей паяемости во времени.

Для одного из этих методов используют специально модифицированный фоторезист, который позволяет на краях отверстий создать вздутые утолщения. При этом необходимо произвести гальваническое усиление в виде полного плакирования. Для другого метода перед созданием защитного рельефа отверстия наполняются воскообразной или каучукообразной массой, поэтому резистивная пленка, так же как и у односторонних печатных плат, образует защиту от травления для проводящего слоя внешнего рисунка печатной платы.

Метод металлизированных отверстий по сравнению с другими методами имеет многочисленные преимущества. Так, например, существенно повышается надежность паяных соединений за счет того, что припой в результате капиллярного действия при соответствующем выборе диаметра заполняет все отверстие. При этом достигается хорошая электрическая и механическая стабильность при относительно малой контактной площадке. Прочность на разрыв выводов элементов в месте пайки и металлизации в отверстии, как правило, больше, чем прочность самих выводов. Высокая надежность, достигнутая по сравнению с другими методами создания переходных соединений, достигается за счет того, что здесь необходимо только одно паяное соединение, между тем, как, например, при использовании полых заклепок возникают три точки пайки.