Изготовление печатных плат

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Цель работы

Изучение технологического процесса изготовления печатных плат фотохимическим методом и исследование основных параметров плат.

Теоретические сведения

печатный монтаж плата

Печатным монтажом называется система печатных проводников, обеспечивающих электрические соединения элементов схемы, экранирование, заземление. Элементами ПП являются диэлектрическое основание, металлическое покрытие в виде рисунка печатных проводников и контактных площадок, монтажные и фиксирующие отверстия. Современный печатный монтаж обеспечивает:

большую плотность монтажных соединений (до 40-50 паек/см²);

резкое уменьшение числа паяных соединений, что способствует увеличению надежности изделий;

повышение электрических нагрузок в цепях в 5-10 раз;

улучшение вибропрочности, теплоотдачи и стойкости аппаратуры к климатическим воздействиям;

стабильную повторяемость параметров изделий;

микроминиатюризацию, унификацию и стандартизацию конструкций электронной аппаратуры;

возможность автоматизации сборочно-монтажных работ.

Основные технические требования к печатному монтажу:

точность получения изображения рисунка (0,05 - 0,3) мм в зависимости от метода изготовления;

разрешающая способность (0,1 - 1,0) мм,

токонесущая способность проводников до 20 А/мм²;

прочность сцепления с основанием не менее 15 МПа;

сопротивление изоляции между токоведущими элементами не менее 10⁴ МОм,

омическое сопротивление проводника шириной 0,5 мм не более 1,4 Ом/м,

сопротивление межслойного перехода не более 0,001 Ом.

Основные материалы для изготовления печатных плат: стеклотекстолит, гибкий фольгированный диэлектрик ФГ, гетинакс, лавсан, фторопласт, полиамид фольгированный. Медную фольгу к диэлектрикам приклеивают клеем БФ-4. Выпускают фольгированный стеклотекстолит марок СФ-1-35, СФ-2-35, СФ-1-50, СФ-2-50. Гибкий фольгированный диэлектрик ФГ-1-35 используется для изготовления гибких шлейфов и кабелей. Он выдерживает не менее 300 перегибов с радиусом закручивания 3 мм и углом перегиба 70⁰. Для микроэлектронных устройств применяют тонкие фольгированные стеклотекстолиты ФДМ, ФДМЭ, ФДМТ толщиной 0,1…0,25 мм.

Методы изготовления печатных плат классифицируют по способам переноса рисунка печатных проводников на диэлектрик и получения токопроводящего покрытия печатного монтажа. Перенос рисунка 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. Разрешающая способность метода 0,5 линий/мм, он эффективен при использовании автоматического оборудования для больших серий.

При методе фотопечати поверхность фольгированного диэлектрика покрывают позитивным или негативным светочувствительным материалом, устойчивым к воздействию агрессивных сред и называемым фоторезистом, на который копируют рисунок печатного монтажа. Метод обеспечивает наивысшую разрешающую способность (до 2-3 линий/мм), высокую точность и четкость контуров проводников. Получение рисунка печатного монтажа осуществляется либо путем травления фольги с незащищенных мест, либо электрохимическим методом. Методы травления обеспечивают равномерную толщину проводников, высокую прочность сцепления с основанием, высокую электропроводность и простой технологический цикл изготовления платы. Недостатки: значительный расход меди, невозможность металлизации в отверстиях.

Электрохимические методы предполагают первоначальное нанесение на поверхность диэлектрика химическим способом в соответствии с рисунком схемы и последующее гальваническое наращивание металла до требуемой толщины. При этом подвергаются металлизации и монтажные отверстия, экономится медь. Недостатки: слабая адгезия проводников к основанию, неравномерность толщины проводников, значительное время воздействия химических реагентов на основание.

Развитием электрохимических методов являются аддитивные методы, которые позволяют увеличить плотность монтажа, уменьшить подтравливание проводников, сократить расход травильных растворов.

Аддитивные методы разделяются на химические, в которых нанесение проводников осуществляется путем селективного химического восстановления ионов металла, и химико-гальванические, в которых, наряду с химическим наращиванием, производится электрохимическое формирование проводников.

Высокая прочность сцепления проводников с основанием при аддитивном методе достигается использованием либо диэлектрика с введенным катализатором, либо специального адгезива. В качестве катализатора используют палладий, который дисперсно распределяется в материале в количестве от 0,1 до 10%. Адгезивы представляют собой различные композиции, например на основе акрилонитрилбутадиенного сополимера (АБС), толщиной 20…30 мкм, наносимые на основание окунанием и последующей термообработкой.

Для изготовления двусторонних печатных плат с металлизацией отверстий применяют комбинированные негативный и позитивный методы, сочетающие в себе принципы химических и электрохимических методов. При негативном методе экспонирование рисунка печатного монтажа осуществляется с фотонегатива, травление медной фольги с пробельных мест производится до металлизации отверстий.

Позитивный метод предусматривает экспонирование с фотопозитива. Операция травления осуществляется после металлизации отверстий. Металлическая поверхность проводников и стенки отверстий перед травлением защищаются металлическим резистом, устойчивым к травильным растворам, например сплавом олово - свинец.

При позитивном методе исключаются возможности срыва контактных площадок при сверлении монтажных отверстий, уменьшается воздействие химических реагентов на основание платы, однако происходит пассивация поверхности металла внутри отверстий при травлении фольги.

Комбинированный негативный метод включает следующие операции:

получение контура заготовки и подготовка ее поверхности;

нанесение негативного рисунка схемы, ретуширование;

травление металлической фольги с пробельных мест;

нанесение защитной плёнки лака, для защиты всей поверхности платы от химического меднения краскораспылителем и подсушивание при температуре 50-60 ^ОС (цапон-лак, клей АК-20);

сверление отверстий, зенковка, которая улучшает электрическую связь металлизированного отверстия с контактной площадкой;

химическое меднение;

снятие защитного слоя лака;

гальваническое меднение стенок отверстий;

снятие фоторезиста;

покрытие проводников припоем для обеспечения их паяемости.

Преимущества метода: освоенность процесса производства, широкая номенклатура травителей. Недостатки: возможность срыва контактных площадок при сверлении; требуются специальные контактирующие приспособления при металлизации отверстий; вредное воздействие химических растворов на платы; большая величина подтравливания.

Комбинированный позитивный метод включает операции:

получение контура заготовки и подготовка ее поверхности;

нанесение позитивного рисунка схемы;

нанесение защитного слоя лака (нитроклей АК-20, эмаль ХСЭ, ХСЛ) для предохранения от воздействия химически активных растворов при химической металлизации, количество слоёв 2-3, нанесение окунанием, поливом или с помощью краскораспылителей, сушка в течение 20-40 мин при 60-80 ^ОС;

сверление отверстий в плате;

химическое меднение отверстий толщиной слоя 1-2 мкм при скорости 20-30 мкм/ч;

гальваническое меднение толщиной 25-30 мкм;

удаление защитного слоя лака;

нанесение металлического резиста для защиты проводников и отверстий от травления (серебрение толщиной 10-12 мкм, гальваническое покрытие сплавами Sn-Pb; Sn-Bi толщиной 20-25 мкм);

удаление фоторезиста;

травление пробельных мест;

оплавление металлического резиста - для удаления припоя из покрытий и улучшения паяемости покрытия;

контроль платы, маркировка.

Гальванически нанесённый металлический резист - сплав Sn-Pb имеет пористую структуру, быстро окисляется, теряет способность к пайке. Для устранения этих недостатков проводят оплавление резиста либо с помощью ИК - излучения, либо в нагретой жидкости (глицерине) или газе. В результате покрытие приобретает структуру металлургического сплава и хорошую паяемость.

Заготовки печатных плат получают резкой листа фольгированного материала на дисковой пиле или штамповкой с одновременной пробивкой технологических отверстий. При толщине штампуемого листа более 1,5 мм, сложном профиле заготовки обрабатываемый материал подогревают до 60 ⁰С. Заусенцы и фаски снимают на абразивных кругах.

Сверление отверстий в платах осуществляют на одно- и многошпиндельных сверлильных автоматах с цифровым программным управлением при числе оборотов шпинделя 12000-45000 в минуту, подаче 0,02-0,05 мм/оборот.

Применяют сверла из твердых сплавов типа ВК6М со стойкостью режущей части до 5000 отверстий и оптимальным углом при вершине 120-125⁰.

Вследствие нагревания сверла отверстия обволакиваются расплавленной эпоксидной смолой, которая может очищаться химическим травлением диэлектрика, при этом не только удаляются остатки смолы, но и подтравливается материал в отверстиях, что увеличивает поверхность для осаждения меди.

Получение изображения защитного рисунка осуществляется с помощью негативных или позитивных фоторезистов. Негативные фоторезисты под действием ультрафиолетового излучения фотополимеризуются и образуют защитные непрозрачные участки на поверхности основания. Негативные фоторезисты изготавливают на основе поливинилового спирта с добавлением к его водному раствору бихромата аммония для придания светочувствительности.

Разрешающая способность негативных фоторезистов - 50 линий/мм, они не содержат токсичных соединений, проявляются теплой водой, имеют низкую стоимость. Недостатками являются эффект темнового дубления, проявляющийся в полимеризации резиста не только под действием света, но и в темноте, а также низкая стойкость к химическим реагентам.

Экспонирование фоторезистов осуществляют в вакуумных светокопировальных рамах, обеспечивающих плотное прилегание фотошаблона к фоторезисту, под воздействием ультрафиолетового излучения (300-450 нм), получаемого от ртутно-паровых или галогенных ламп. Установка для экспонирования с передвижным источником света КП6341 обеспечивает двустороннее экспонирование и вакуумный прижим заготовок. Охлаждение ламп осуществляют вентилятором либо проточной водой.

Травление меди - сложный окислительно-восстановительный процесс, в котором окислителем является травильный раствор, переводящий медь из металлического состояния в ионное. В качестве травильных применяют растворы на основе хлорного железа, персульфата аммония, хлорной меди, перекиси водорода и др. Наиболее распространен раствор хлорного железа (удельный вес 1,3-1,4 г/см³) с небольшим количеством (до 50 г/л) соляной кислоты.

Преимущества : более высокая скорость травления, легкость регенерации. Недостатки: наблюдается эффект подтравливания проводников, выпадение кристаллического осадка на вытравленной поверхности, что приводит к дополнительной обработке в 10%-й серной кислоте, токсичность продуктов разложения. Травление осуществляют либо погружением заготовок плат в ванны с подогреваемым раствором и перемешиванием его сжатым воздухом, либо на установках струйного травления с автоматизированной подачей раствора и перемещением плат на конвейере со скоростью 0,04 - 0,25 м/мин.

Химическая металлизация поверхности диэлектрика основана на реакции восстановления металла из раствора и его осаждении на поверхности, имеющей каталитические свойства. Для того чтобы передать диэлектрику способность к металлизации, проводят операции сенсибилизации и активирования. Для достижения требуемой надежности и обеспечения ремонтопригодности толщина металлизации в отверстиях печатных плат должна быть не менее 25 мкм.

Гальваническое меднение осуществляют в пирофосфатных борфтористоводородных и сернокислых блестящих электролитах. Для повышения скорости осаждения применяют перемешивание электролита, проточный электролит, нестационарные режимы электроосаждения.

Контроль качества плат производят после основных операций технологического процесса, что обеспечивает обнаружение и устранение причин брака.

Наиболее типичные дефекты печатных плат:

ь короткое замыкание между проводниками и контактными площадками по причине сдвига внутренних слоев при прессовании или попадание раствора химического меднения в зазоры;

ь разрыв проводников из-за царапин на поверхности или подтравливания;

ь отсутствие контакта между проводниками слоев и металлизированными отводами вследствие плохой подготовки к химической металлизации или малой площади контактирования;

ь выход окружности отверстия за пределы контактной площадки по причине плохой точности при сверлении отверстий;

ь снижение сопротивления изоляции - проникновение в межслойные соединения влаги, растворов.

Порядок выполнения работы

1. Получаем необходимые материалы, инструмент и заготовку из фольгированного материала.

2. Зачистили шлифовальной шкуркой поверхность заготовки, сняли заусенцы с помощью напильника.

3. Обезжириваем поверхность заготовки с помощью салфетки, смоченной ацетоном. Работу производим в вытяжном шкафу.

4. Декапируем плату в растворе соляной кислоты в ванночке из органического стекла в течение 2 мин. Раствор сливаем обратно в сосуд.

5. Промываем плату в проточной воде.

6. Высушиваем и прогреваем плату до температуры 50-60^ОС под Феном.

7. Снимаем защитную пленку с одной стороны сухого фоторезиста и накладываем его этой стороной на нагретую плату.

8. Прикатываем фоторезист к поверхности медной фольги с помощью валика, начиная с центра платы к ее краям, прижимая валик сначала с небольшим усилием, затем более сильно.

9. Ознакамливаемся с устройством и правилами работы на установке экспонирования по инструкции. Под наблюдением преподавателя или инженера включаем установку. Для этого включаем рубильник на передней стенке установки; тумблеры "Сеть" и "Вентиляторы" на пульте управления; тумблер "Лампы" (только левый) и прогреть лампу в течение 3-4 мин откачиваем воздух из вакуумного резервуара установки, включив тумблер "Вакуумный насос". Степень разряжения контролировать по прибору и не поднимать его уровень выше 0,8 Тор.

10. Совмещаем фотошаблон с печатной платой и поместить в загрузочную левую рамку . При совмещении фотошаблона и платы обратить внимание на то, чтобы все надписи на фотошаблоне правильно читались, т.е. не были зеркально перевернутыми.

11. Прижимаем верхнюю часть рамки к нижней двумя руками и удерживать ее в этом положении до полной откачки воздуха

12. В течение всего времени экспонирования поддерживать уровень разряжения в рамке в пределах 0,6-0,8 Тор, путем периодического включения и выключения тумблера "Вакуумный насос".

13. Совмещаем излучение лампы с печатной платой и экспонировать 7-9 мин. Во время экспонирования через 1-1,5 мин смещаем лампу на 1-5 см в одну или другую сторону, добиваясь при этом равномерной засветки фоторезиста.

14. Выключаем тумблер "Лампы" и отвести лампу в исходное положение.

15. Выключаем тумблер "Вакуумный насос".

16. Открываем верхнюю часть рамки, для чего, придерживая одной рукой рамку, нажать кнопку "Рамка".

17. Убираем разряжение в вакуумном резервуаре путем нажатия контакта в правом ближнем углу загрузочной рамки.

18. Через 3-4 мин после выключения лампы выключаем тумблеры "Вентиляторы", "Сеть". Выключаем рубильник на передней стенке установки.

19. После остывания платы снимаем вторую защитную пленку с фоторезиста.

20. Проявляем фоторезист. Для этого: небольшое количество проявителя (50-100 мл) налить в ванночку; опустить в ванночку плату и легким протиранием смоченной салфеткой всей поверхности фоторезиста проявить его.

Проявление производить в вытяжном шкафу. Отработанный раствор слить.

21. Производим необходимые измерения с помощью микроскопа МБС-2.

22. Протравлеваем пробельные места медной фольги в растворе треххлористого железа. Для этого наливаем в керамическую ванночку травильный раствор;

помещаем плату в раствор так, чтобы она была полностью закрыта раствором; включить плитку и нагреть раствор до 60 ^ОС;

после травления сливаем раствор обратно в сосуд, вымыть ванночку, промыть плату в проточной воде.

23. Снимаем фоторезист. Для этого наливаем в ванночку раствор снимателя; смоченной салфеткой протираем плату до полного снятия фоторезиста.

24. Промываем и высушиваем плату.

25. Включаем установку контроля печатных плат КПП-1:

сетевой переключатель переводим в положение 1 и прогреваем установку в течение 3-5 мин;

закрепляем исследуемую плату держателями;

после появления проводников на экране дисплея настраиваем четкость изображения, передвигая видеокамеру с помощью регулировочного винта;

передвигая исследуемую плату по вертикальной и горизонтальным осям, определяем качество проводников на плате ( целостность, отслоение и подтравливание), а также измерить геометрические размеры проводников;

выключить установку, переведя переключатель в позицию 0.

26. Производим измерения минимальной ширины проводника 1, минимального расстояния между проводниками 2 и диаметра контактной площадки 6 с помощью микроскопа МБС-2 (см. рис. 3.2). Измерения производим на фотошаблоне и изготавливаемой плате после процессов экспонирования и травления, полученные данные занести в табл. 3.1.

27. Измеряем сопротивление изоляции между проводниками 3 и 4.

28. Определяем удельное электрическое сопротивление проводников. Для этого собраем схему измерения падения потенциала на проводнике (рис. 3.4); включить вольтметр путем перевода сетевого переключателя в положение "Вкл";

на лицевой панели вольтметра нажимаем кнопки "АВП", "U" и Т₀ ;

измерительный щуп установливаем на контактные площадки проводника 8 наибольшей ширины (см. рис. 3.2.);

Таблица 3.1

Параметры печатных проводников на различных стадиях технологического процесса

Операции	Минимальная ширина проводника, мм	Минималь-ные промежут-ки, мм	Диаметр контактной площадки, мм	Причины отклонений от номинальных значений
Фотонегатив	0,2	0,2	5
Получение защитного рисунка	0,22	0,16	5,2
Травление	0,18	0,18	4,8
Химическая металлизация	0,3	0,2	1,6
Гальваническая металлизация	0,1	0,1	0,8

Таблица 3.2

Электрические и механические параметры печатных проводников

Исследуемые параметры	Ширина проводника b, мм	Примечание
	0,2	0,4	0,6	0,8	1
1. Электрическое сопротивление, Ом/м	24.10-10	22,64.10-10	20,4.10-10	22,4.10-10	22, .10-10	сст=17,5.10-9
2. Токонесущая способность, А/мм2	642	571	571	536	543	Iдоп<20А/мм2
3. Сопротивление изоляции, МОм	3,5.104 поверхностное	3.103 объёмное
4. Прочность сцепления с основанием, МПа	4,4	4,9	5,4	S=2.10-5м2
5. Количество перепаек	16	19	17

выводим ручку регулировки напряжения источника тока ВСА-5К в крайнее левое положение и включить его ручкой "Режим работы" в положение 1 ступень;

вращая ручку регулировки напряжения вправо, выставляем ток 5 А;

измеряем величину падения напряжения на проводнике с помощью вольтметра В7-34А;

выключаем источник тока и переставляем измерительные щупы на контактные площадки следующего проводника.

Повторяем измерения для остальных проводников. В процессе измерений следим, чтобы на передней панели вольтметра была включена кнопка "U";

рассчитываем удельное электрическое сопротивление проводников

= R S / L, (3.3)

где R - электрическое сопротивление, рассчитанное по закону Ома; S - площадь сечения проводника; L-длина проводника.

29. Определяем токонесущую способность проводников. Для этого:

из схемы исключить вольтметр;

измерительные щупы установливаем на контактные площадки проводника 5 с наибольшей шириной;

выводим ручку регулировки напряжения в крайнее левое положение;

включаем источник тока ручкой "Режим работы" в положение 1 ступени;

поворачивая ручку регулировки напряжения вправо, замеряем на амперметре значение тока, при котором произойдет выгорание проводника;

выводим ручку регулировки напряжения в крайнее левое положение;

выключаем выпрямитель и переставить измерительные штанги приспособления на контактные площадки следующего проводника;

повторяем измерения для оставшихся проводников и полученные данные занести в табл. 3.2.

30. Определяем количество перепаек. Для этого:

включить тумблер "Сеть" на источнике питания паяльника;

после нагрева паяльника залудить несколько контактных площадок 7 и, имитируя процесс пайки, определить количество перепаек до отслоения контактной площадки от основания.

31. Определяем усилие отрыва. Для этого залудить контактную площадку на плате. Снять верхний зажим в устройстве (рис.3.6) и припаять к ней специальный стержень с контактной площадкой. Закрепить стержень с верхним зажимом в устройстве, включить источник питания в устройстве, переключить тумблер так, что бы плата двигалась в низ с помощью устройства для определения прочности сцепления оторвать контактную площадку от основания, зафиксировать усилие отрыва на шкале прибора (цена деления 100г.)

32. Убраем расходные материалы со столика в вытяжном шкафу, вымыть ванночки, аккуратно составить сосуды с химреактивами.

Размещено на Allbest.ru