Технология изготовления печатных карт

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ И ОСОБЕННОСТИ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Точность и разрешающие свойства получаемых ПП в первую очередь определяются качеством используемой специальной технологической оснастки, основными видами которой являются фотошаблоны, сетчатые трафареты и печатные формы (клише).

Фотошаблон - это графическое позитивное или негативное изображение рисунка печатного монтажа, выполненного в натуральную величину на светопроницаемом основании, и служат для перенесения имеющегося на них рисунка на плату.

Более прогрессивным является метод получения фотошаблонов сканирующим световым лучом непосредственно на фотопластинке (без изготовления оригинала) с помощью высокопроизводительных координатографов, работа которых управляется ЭВМ.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

печатная карта травление медь

Механическая обработка включает раскрой листового материала на полосы, получение из них заготовок, выполнение фиксирующих, технологических, переходных и монтажных отверстий, получение чистового контура ПП.

Выбор метода получения заготовок определяется типом производства. В крупносерийном и массовом производстве раскрой листового материала осуществляют штамповкой на кривошипных или эксцентриковых прессах с одновременной пробивкой фиксирующих отверстий на технологическом поле. В качестве инструмента применяют вырубные штампы.

Заготовки ПП в единичном и мелкосерийном производстве получают разрезкой на одно- и много ножевых роликовых или гильотинных ножницах.

Фиксирующие отверстия диаметром 4...6 мм выполняют штамповкой или сверлением с высокой точностью (0,01...0,05 мм). Для сверления используют универсальные станки, в которых точность достигается применением кондукторов, или специальное полуавтоматическое оборудование, которое в одном цикле с обработкой пакета заготовок предусматривает пневматическую установку штифтов, фиксирующих пакет.

Монтажные и переходные отверстия получают также штамповкой и сверлением. Пробивку отверстий на универсальных или специальных штампах применяют в тех случаях, когда отверстие в дальнейшем не подвергается металлизации и его диаметр не менее 1 мм.

При пробивке отверстий в односторонних фольгированных диэлектриках применяют штампы с увеличенным двусторонним зазором между пуансоном и матрицей, обеспечивающим затягивание фольги в отверстие, чем достигается его частичная металлизация.

Металлизированные монтажные и переходные отверстия обрабатывают с высокой точностью на специализированных одно- и многошпиндельных сверлильных станках с ЧПУ.

Оптимальная частота вращения шпинделя составляет 45000 ... 120000 об/мин.

Повышение температуры в зоне обработки при сверлении слоистых пластиков приводит к наволакиванию размягченной смолы на кромки контактных площадок, препятствующему последующей металлизации отверстий.

Наиболее эффективным средством устранения наволакивания признана последующая гидроабразивная очистка.

Чистовой контур ПП получают штамповкой, отрезкой на гильотинных ножницах или на специальных станках с прецизионными алмазными пилами, фрезерованием.

ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Формирование токопроводящих элементов ПП осуществляется двумя основными методами: химическим и электрохимическим.

Химическая металлизация используется в качестве основного слоя при изготовлении плат аддитивным методом или как подслой перед гальваническим осаждением в комбинированных методах.

Процесс химической металлизации основан на окислительно-восстановительной реакции ионов металла из его комплексной соли в определенной среде, при которой необходимые для восстановления катионов металла электроны получают в результате окисления специальных веществ, называемых восстановителями.

На диэлектрике реакция восстановления протекает при наличии на его поверхности каталитически активного слоя. Для придания диэлектрику способности к металлизации производят операции сенсибилизации и активирования.

Сенсибилизация -- это процесс создания на поверхности диэлектрика пленки ионов двухвалентного олова, которые впоследствии обеспечат восстановление ионов активатора металлизации. Платы обрабатывают в растворе двуххлористого олова и соляной кислоты (SnCI₂--5 ... 10 г/л, HCI--20 ... 40 г/л, остальное-- дистиллированная вода) в течение 5 ... 7 мин и промывают в холодной воде. При этом происходит гидролиз хлористого олова.

Активирование заключается в том, что на поверхности, сенсибилизированной двухвалентным оловом, происходит реакция восстановления ионов каталитического металла. Обработку проводят в растворах благородных металлов, преимущественно палладия в течение 5...7 мин.

После активирования и промывки платы поступают на химическое меднение.

Основными проблемами химической металлизации являются низкая производительность, сложность процесса, использование дорогостоящих материалов.

Гальваническая металлизация при производстве ПП применяется для усиления слоя химической меди, нанесения металлического резиста, например олово--свинец толщиной 8...20 мкм с целью предохранения проводящего рисунка при травлении плат, защиты его от коррозии и обеспечения хорошей паяемости; создания на части проводящего рисунка (например, на концевых печатных контактах) специальных покрытий (палладий, золото, родий и т. п.) толщиной 2..5 мкм. Заготовки плат, закрепленные на специальных подвесках-токоподводах, помещают в гальваническую ванну с электролитом между анодами, выполненными из металла покрытия. Режим электрохимической металлизации выбирают таким образом, чтобы при высокой производительности были обеспечены равномерность толщины покрытия и его адгезия.

Для меднения ПП применяют различные электролиты. Пластичные и равномерные осадки получаются в сернокислых электролитах.

Одним из эффективных путей улучшения качества покрытий является использование нестационарных режимов электролиза. Осаждение металла в этом случае проводится под действием периодических токов--импульсного, реверсивного, произвольной формы различной частоты и скважности. Под действием реверсивного тока происходит сглаживание микрорельефа покрытия, повышается его равномерность по поверхности платы и в монтажных отверстиях. Это объясняется тем, что во время прямого импульса происходит осаждение металла, а во время обратного-преимущественное растворение выступающих участков.

ФОРМИРОВАНИЕ РИСУНКА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Нанесение рисунка схемы на ПП необходимо для получения защитной маски требуемой конфигурации при осуществлении процессов металлизации и травления. Наиболее распространены в промышленности сеткографический (офсетной печати) и фотохимический методы.

Сеткографический метод получения рисунка ПП основан на применении специальных кислотостойких быстросохнущих красок, которые после продавливания через трафарет закрепляются на поверхности заготовки в результате испарения растворителя.

Срок хранения отпечатанных плат в условиях производства составляет 3 ... 5 суток. После этого удаление краски становится затруднительным. Снимают трафаретную краску 3...5%-ным раствором горячей (40...60°С) щелочи в течение 10...20с. Раствор подается на заготовки устройствами струйного типа. Аналогично промываются сетчатые трафареты после работы.

Фотографический метод предусматривает нанесение на подготовленную поверхность заготовки ПП специальных светочувствительных материалов-фоторезистов, которые разделяются на негативные и позитивные.

Негативные фоторезисты образуют при воздействии света защитные маски вследствие реакции фотополимеризации, при этом облученные участки остаются на плате, а необлученные удаляются при проявлении.

В позитивных фоторезистах под действием света происходит фотодеструкция органических молекул, вследствие чего облученные участки удаляются при проявлении. Фоторезисты могут быть жидкими и сухими (пленочными).

Сухие пленочные фоторезисты (СПФ) более технологичны и могут быть использованы на всех операциях получения рисунка схемы. Они представляют собой структуру, состоящую из светочувствительного слоя, который помещается между защитной полиэтиленовой и светопроницаемой лавсановой пленками.

Фоторезисты наносят на платы валковым методом (рис. 3.8) при нагреве до 105 ... 120°С и плотно прикатывают к поверхности заготовки для удаления воздушных включений. Реализующие этот метод установки называются ламинаторами.

Рис. 3.8. Схема нанесения сухого пленочного фоторезиста: 1 -- пленочный фоторезист; 2 -- медное покрытие; 3 -- диэлектрическое основание; 4 -- светопроницаемая лавсановая пленка; 5--защитная полиэтиленовая пленка; б--накатывающий валик

Экспонирование предназначено для инициирования фотохимических реакций в фоторезистах. Оно проводится в установках, состоящих из источников света (сканирующих, неподвижных или точечных), работающих в ультрафиолетовой области, рефлекторов и коллиматоров.

Проявление, окрашивание и химическое дубление жидких фоторезистов производят в конвейерных струйных установках модульного типа, оснащенных устройствами подачи растворов с их фильтрацией и регулировкой давления, роликовым конвейером, соединяющим все модули.

ТРАВЛЕНИЕ МЕДИ С ПРОБЕЛЬНЫХ МЕСТ

Травление представляет собой сложный окислительно-восстановительный процесс, который применяют для формирования проводящего рисунка печатного монтажа путем удаления меди с непроводящих (пробельных) участков. Травление выполняют химическим или электрохимическим способом.

Для химического процесса разработаны и используются в промышленности многочисленные составы на основе хлорного железа, персульфата аммония, хлорной меди, хромовой кислоты, перекиси водорода, хлорита натрия и др. Выбор травильного раствора определяется следующими факторами, типом применяемого резиста, скоростью травления, величиной бокового подтравливания, сложностью оборудования, возможностью регенерации и экономичностью всех стадий процесса.

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.

Рис.3.9. Искажение профиля печатных проводников при травлении:1 -- травитель: 2 -- резист; 3 -- диэлектрик; 4 -- печатный проводник

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.

Уменьшают подтравливание введением в используемые растворы специальных добавок: ионов 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

Технологический процесс травления состоит из операций предварительной очистки меди, повышающей равномерность ее удаления, непосредственно удаления меди с пробельных участков платы, очистки поверхности диэлектрика, осветления при необходимости поверхности металлорезиста и сушки.

Наибольшее распространение в технологии производства ПП получили травильные растворы на основе хлорного железа (плотность 1,36... 1,42 г/см²). Для них характерны высокая и равномерная скоростью травления, малая величина бокового подтравливания, высокая четкость получаемых контуров, незначительное содержание токсичных веществ, экономичностью. Суммарная реакция, протекающая в растворе, описывается уравнением:

2FeCl₃+Cu>CuCl₂+2FeCl₂

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+CuCI>CuCl₂

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.

Химическое удаление меди проводится погружением ПП в травитель, наплескиванием раствора на их поверхность или разбрызгиванием через форсунки (рис. 3.10).

Рис.3.10. Схема установки струйного травления:1-камера; 2-заготовка: 3-разбрызгивающее устройство; 4 - транспортер; 5 - травитель; 6 - регенератор отработанного раствора: 7 - система трубопроводов с насосом

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:

1. упрощением состава электролита, методики его приготовления, регенерации и очистки сточных вод, высокой и

2. стабильной скоростью травления в течение длительного периода времени, экономичностью, легкостью управления и автоматизацией всех стадий.

Рис .3.11. Устройство для электрохимического травления печатных плат: 1 -- насос; 2 -- трубчатый графитовый анод; 3 -- электролитическая ячейка; 4 -- электролит; 5 -- диафрагма; б--медный катод; 7--сопло: 8--изделие; 9-- травильная камера

Полностью реализовать преимущества электрохимического метода позволяют подвижные носители заряда, которые представляют собой частицы графита, расположенные в суспензированном электролите. Эти частицы принимают заряд с анода и переносят его на поверхность меди, переводя последнюю в ионную форму. Устройство с подвижными носителями заряда приведено на рис.3.11 и состоит из электролитической ячейки и травильной камеры, между которыми прокачивается электролит. Электролит содержит серную кислоту и взвешенный активированный уголь (массовое содержание 15...30%) с размером частиц 10...50 мкм. Использование электрохимического травления сводит к минимуму боковое подтравливание токопроводящих дорожек и обеспечивает разрешающую способность, равную 70... 100 мкм, но стоимость технологического оборудования превышает стоимость машин для химического травления.

После удаления меди с пробельных участков ПП промывают водой. Если на поверхности металлических резистов (особенно Sn-- Pb) в результате химического взаимодействия с травителем образуются нерастворимые соединения, вызывающие потемнение и ухудшение их паяемости, то их осветляют при температуре 18...25°С в течение З... 5 мин. Растворы осветления готовят на основе кислот и тиомочевины.

ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Наиболее технологичным является вариант МПП с металлизацией сквозных отверстий. Он позволяет получать по 20 слоев МПП, характеризуется высокой плотностью, хорошим качеством межслойных соединений, относительной простотой и экономичностью.

При этом методе используются: для наружных слоев односторонний фольгированный диэлектрик, для внутренних одно- или двусторонний фольгированный диэлектрик и в качестве межслойной изоляции стеклоткань СПТ-3. Из этих материалов изготавливают заготовки, в которых пробивают базовые отверстия для совмещения слоев и производят очистку поверхностей. На заготовках внутренних слоев рисунок получают с двух сторон негативным фотохимическим методом, выполняя при необходимости контактные переходы химико-гальванической металлизацией. Рисунок наружных слоев получают комбинированным позитивным фотохимическим методом. Изготовленные слои совмещают друг с другом по базовым отверстиям, прокладывая между ними межслойную изоляцию, и спрессовывают в монолитную структуру.

В производстве применяют комплексную подготовку металлизированных отверстий, которая включает гидроабразивную очистку, подтравливание диэлектрика и ультразвуковую промывку для удаления продуктов химических реакций и остатков кислот.

Внутренние слои МПП, выполненные на тонком одностороннем фольгированном диэлектрике, после стравливания медного покрытия склонны к линейной деформации. Поэтому базовые отверстия на технологическом поле заготовок пробивают после операции травления меди, ориентируясь на специальные реперные знаки.

Процесс прессования является одной из важнейших операций изготовления различных видов МПП, которая обеспечивает качество изделий. Монолитность структуры и точность ее элементов обеспечиваются качеством прокладочной стеклоткани, тщательностью подготовки слоев, совершенством технологической оснастки и строгим поддержанием режимов прессования.

Прокладочная стеклоткань, которая поступает на сборку пакетов MПП, должна содержать 45... 52% термореактивной эпоксидной смолы с отвердителем, находящейся в состоянии неполной полимеризации.

Прессование MПП проводят в специальной пресс-форме с плоскопараллельными плитами, обеспечивающей точное совмещение и фиксацию слоев с помощью направляющих штырей, расположенных по углам, и через каждые 100... 150 мм по периметру плиты. Для равномерного прогрева прессуемого пакета и выравнивания его по толщине с двух сторон пресс-формы закладываются выравнивающие подушки.

Температурный режим прессования платы предусматривает нагрев пакета до температуры 150... 180 °С, удаление летучих компонентов смолы по мере расплавления и смачивания слоев пакета переход смолы в состояние желатинизации, полимеризацию и затвердевание смолы, охлаждение пакета до 30...40 °.

С температурой тесно взаимосвязано давление. При нагреве пакета для обеспечения теплопередачи необходимо предварительное его сжатие и плотное прилегание пресс-формы к плитам пресса. Для этого устанавливают первоначальное давление P (100...300 кПа), которое также препятствует удалению летучих компонентов смолы из прокладочной стеклоткани. Высокое давление прессования должно быть создано до начала затвердевания смолы в момент желатинизации, когда смола перестает течь и вязкость ее нарастает.

Приложение высокого давления (1...4 МПа) до момента желатинизации приводит к выдавливанию большого количества жидкой смолы и ухудшению сцепления слоев.

Приложение давления после момента желатинизации вызывает дробление смолы, перешедшей в твердое состояние, и образование пустот, также ухудшающих связь между слоями.

Для прессования МПП применяют специализированные многоярусные гидравлические прессы, оборудованные системами нагрева и охлаждения плит и устройствами для регулирования поддержания технологических режимов. Прессы обеспечивают плоскостность и параллельность плит в пределах 0,1 мм, время нагрева плит до рабочей температуры 20 мин и точность поддержания температуры на их плоскости ±3°С, давления ±3°/о.

Размещено на Allbest.ru