Разработка печатной платы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Печатная плата - это конструктив электронного устройства (ЭУ), представляющий собой жесткую или гибкую пластинку из диэлектрика (или металла, покрытого диэлектриком), содержащую на поверхности пленочные проводники, служащие в дальнейшем для электрического соединения выводов различных изделий электронной техники (ИЭТ) (например, ИС, диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.), устанавливаемых на пластинке.

Конструктивно ПП состоит из диэлектрического основания и неразъемно с ним связанных элементов (которые нельзя удалить, не повредив конструкцию ПП).

Элементы ПП разделяют на функциональные и технологические.

Функциональные элементы - те, которые участвуют в функционировании устройства (пригодные для токопрохождения). Примеры функциональных элементов: проводящие дорожки, знакоместа, контактные площадки, металлизированные отверстия, ламели и др. (рис.1). Знакоместо - это группа контактных площадок или металлизированных отверстий, предназначенных для посадки и монтажа на них (в них) навесных компонентов. Отдельные контактные площадки могут использоваться для монтажа перемычек, шлейфов, объемных соединителей и т.д. Ламели - это группа контактных площадок, служащих для соединения устройства с другими модулями РЭА, т.е. - это плоский соединитель вилочного типа. К функциональным элементам можно отнести и термокомпенсационные слои (медь - инвар - медь), которые часто используют в ПП сложной конструкции в качестве шин питания и заземления, и др.

Технологическими элементами называются такие, которые не участвуют в токопрохождении, т.е. в работе устройства, но служат для контроля качества выполнения отдельных операций технологических процессов, в качестве указателей (ориентиров) разного назначения, для крепежа деталей, для теплоотвода и др. целей.



Рис.1. Эскиз фрагмента однослойной ПП с функциональными элементами: 1 - проводящая дорожка; 2 - знакоместо; 3 - контактная площадка; 4 - металлизированное отверстие; 5 - ламель.

Потребности в уменьшении массы и габаритов конструкций электронной аппаратуры обусловили интерес к методам непосредственного монтажа кристаллов микросхем на плату: «кристалл на плате» - СОВ или многокристальные модули.

Кристаллы микросхем монтируют на подложку одним из четырех методов:

1. Термокомпрессионная микросварка - наиболее старый, наиболее гибкий и широко применяемый метод. Этим методом до сих пор изготавливают более 96% всех микросхем.

Присоединение кристаллов к выводам ленточного носителя или TAB. Этот метод используется для автоматического монтажа кристаллов с малым шагом выводов на промежуточный носитель. Кроме возможности автоматизации монтажа, он обеспечивает возможность предварительного тестирования кристаллов перед окончательной установкой его на монтажную подложку.

3. Присоединение перевернутого кристалла через шариковые выводы. Компактность и улучшенные электрические характеристики этого метода межсоединений способствуют его расширяющемуся применению.



4. Присоединение кристалла балочными выводами. В этом методе используют технологии термокомпрессионной и ультразвуковой микросварки балочных выводов к периферийным контактным площадкам на кристалле и, затем, - балочных выводов к монтажной подложке.

При оценке возможности использования этих методов, необходимо принимать во внимание разные температурные коэффициенты расширения кристаллов из кремния и монтажной подложки. Кроме прямого решения этой проблемы выбором соответствующего материала подложки, она может быть эффективно решена заливкой эпоксидной смолой, разделяющей кристалл и плату. Подобный прием позволяет выровнять деформации кристалла и подложки и, за счет этого, существенно улучшить надежность таких сборок.

Микрокорпуса

печатная плата микрокорпус диэлектрик

При непосредственной установке кристаллов на монтажные подложки не всегда представляется возможность предварительно убедиться в их правильной работе до их монтажа на подложку. К настоящему времени существует несколько технологий для решения этой проблемы. В зарубежной терминологии эта проблема имеет название - «заведомо исправный кристалл». Один из путей ее решения - использование микрокорпусов, размеры которых лишь ненамного превышают размеры кристалла, но выполняют функции защиты от внешней среды и перераспределяют выводы кристалла на матрицу выводов микрокорпуса. Применение микрокорпусов позволяет тестировать микросхему до установки ее на монтажную подложку. На микросхемах с программируемой логикой создается возможность программировать их пережиганием перемычек в соответствии с задуманной схемой. Типовой пример микрокорпусов - CSP-корпус.

Поскольку для некоторых CSP-корпусов шаг матричных выводов составляет 0,5 мм и менее, требуется использование специальных технологий производства печатных плат, позволяющих обеспечить разводку сигнальных цепей в узких пространствах между элементами монтажного поля.

Существующие технологии производства печатных плат способны обеспечить монтаж выводов бескорпусных микросхем, если он выполняется по технологии термокомпрессионной сварки или с использованием ленточных носителей. И, хотя такое решение переносит трудности защиты открытых кристаллов микросхем на корпусирование электронных модулей, оно все еще остается одним из наиболее эффективных методов монтажа бескорпусных микросхем.

При использовании корпусов с малым шагом матричных выводов ситуация усложняется тем, что сигнальные связи от внутренних выводов матрицы необходимо вывести между контактными площадками матрицы. При этом имеется возможность провести между контактными площадками один, максимум, два проводника. Поэтому, в большинстве случаев, проводники от внутренних выводов матрицы выводятся по внутренним слоям многослойных печатных плат. При монтаже кристаллов на подложку корпуса и корпуса на монтажную подложку или при непосредственном монтаже кристалла на плату неизбежно увеличиваются используемые для этого площади. Это вызвано необходимостью выделения определенного физического пространства для размещения выводов. А число выводов подчиняется общей тенденцией их увеличения с увеличением интеграции микросхем:

где q - коэффициент связности микроэлементов в структуре микросхемы, N - степень интеграции микросхемы, R - показатель Рента.

В противоположность степени интеграции, этот эффект называют степенью дезинтеграции, которая оценивается отношением плотности микроэлементов, отнесенной к монтажной площади на плате с их плотностью размещения на кристалле. Например, если кристалл процессора имеет размер 10x10 мм, а монтажное поле его корпуса на плате занимает площадь 4000 мм, такое конструктивное исполнение системы межсоединений характеризуется дезинтеграцией с числом 10. Эта цифрой оценивается матрица из 800 выводов. Периферийное расположение такого количества выводов с шагом 0,4 мм занимает монтажное поле площадью 8000 мм, значит степень дезинтеграции такого конструктивного исполнения - 100.

Степени интеграции и дезинтеграции должны соответствовать техническому уровню развития производства. При стремлении выполнить конструкцию на предельных возможностях производства, стоимость изделия станет неоправданно высокой из-за большого объема отходов на брак. В технологии печатных плат финишные покрытия формируются одним из двух методов: из металлорезиста, используемого при травлении рисунка, и специальным осаждением покрытия под пайку на монтажные поверхности. Гальванические покрытия металлорезистами при травлении окисляются настолько, что приходится применять для них специальные процессы дезоксидации. Для легкоплавких металлорезистов можно использовать оплавление, и тем самым, значительно улучшать способность к пайке. Поскольку медь проводников образует с оловом интерметаллиды, из-за которых исчезает способность к пайке, под металлорезистом формируют барьерный подслой, например, никеля. Тогда способность к пайке сохраняется достаточно длительный срок, даже без оплавления олова-свинца. Поскольку, кроме способности к пайке, приходится считаться и с устойчивостью металлорезистов к травящим растворам. Выбор финишных покрытий имеет вариантность.

Вариант 1. Если предпочтение отдано схеме процесса, по которой для защиты при травлении рисунка используется металлорезист, в выборку попадают сплав олово-свинец, олово, никель, палладий и серебро. Из них, по паяемости без оплавления, лучшими могут быть олово, палладий и серебро. По устойчивости к электрохимическим отказам выгодно отличаются палладий и олово. По стоимости - предпочтительней олово.

Травление меди по оловянному металлорезисту осуществляется в аммиачном комплексе хлорной меди - универсальном травящем растворе, пригодном, в том числе, для травления меди по фоторезисту.

Таким образом, для первого варианта в качестве металлорезиста и покрытия под пайку целесообразно использовать олово и, соответственно, в качестве травителя - аммиачный комплекс хлорной меди.

Вариант 2. Если требуется изготавливать платы не выше 4 класса точности по тентинг-процессу, в качестве финишного покрытия, как правило, используют горячее облуживание по паяльной маске. Но горячее облуживание неизбежно оставляет на поверхности монтажных площадок наплывы с неопределенной высотой от 0 до 0,3 мм. При установке чипов и компонентов в корпусе, типа BGA, эта разновысотность не позволяет реализовать установку таких компонентов. Горячее облуживание плат становится неприемлемой.

Альтернативой облуживанию являются иммерсионные покрытия оловом и золотом. Поскольку эти покрытия принципиально тонкие, они требуют использования барьерных подстоев, что несколько удорожает процесс. Тем не менее, он остается и надежней, и дешевле процесса горячего облуживания.

При проектировании и изготовлении ПП большое значение имеет правильный выбор конструкционных материалов в зависимости от конструкторских, технологических и эксплуатационных характеристик плат, используемых в конкретных ЭУ. Таким образом, требования в конструкционным материалам определяются:

? электрофизическими, механическими, тепловыми и надежностными характеристиками ЭУ;

? условиями эксплуатации ЭУ;

? технологичностью конструкции ЭУ;

? экономическими показателями.

В производстве ПП используют большое разнообразие органических и неорганических материалов, а также их комбинаций. Основными преимуществами органических материалов (по сравнению с неорганическими) являются:

? доступность и дешевизна углеводородного сырья;

? простота получения, связанная с тем, что синтез таких материалов осуществляется почти всегда при невысоких температурах с использованием несложного оборудования;

? возможность обеспечения и варьирования (в широком диапазоне) свойств материала за счет введения в композиционную массу полимера различных добавок;

? высокая технологичность при формообразовании;

? возможность создания на основе данных материалов гибких ПП и МПП с минимальными массогабаритными показателями.

Основными недостатками органических материалов пока еще остаются:

? невысокие нагревостойкость и теплопроводность по сравнению с неорганическими материалами;

? большая, чем у неорганических материалов, склонность к старению, особенно при эксплуатации в экстремальных условиях.

Неорганические материалы отличаются от органических высокой нагревостойкостью, лучшей теплопроводностью и стабильностью электрофизических, прочностных и прочих характеристик, а также гораздо меньшей склонностью к старению даже в экстремальных условиях эксплуатации. Вместе с тем, они менее технологичны, имеют большую массу и более высокую стоимость, чем органические материалы.

Фольгированые диэлектрики состоят из диэлектрического основания плакированного с одной либо двух сторон основания обычно электролитической медной фольгой (толщиной 2,5…50 мкм) с оксидированным гальваностойким слоем (или слоем хрома толщиной 1…3 мкм), для улучшения прочности сцепления с диэлектрическим основанием, и шероховатостью открытой поверхности фольги с высотой микронеровностей не более 0,4…0,5 мкм (а для МПП не менее 3 мкм, причем шероховатой в этом случае должна быть приклеиваемая поверхность, а не открытая). Медная фольга характеризуется высокой чистотой (99,5% Cu), пластичностью и наименьшим удельным сопротивлением по сравнению с алюминиевой или никелевой фольгой, которую гораздо реже применяют.

Таблица 1. Основные конструкционные материалы для производства ПП

Вид материала, марка	Толщина	Назначение
	фольги, мкм	материала, мм
Гетинакс фольгированый: ? ГФ-1-35, ? огнестойкий ГОФ-2-50Г ? влагостойкий ГОФВ-2-35. Стеклотекстолит нефольгированный: ? с адгезионным слоем СТЭК; ? с катализатором СТАМ. Стеклотекстолит фольгированный: ? СФ-1(2)-35; ? огнестойкий СФО-1(2)-35; ? СОНФ-1(2)-50; ? самозатухающий ДФС-1(2); ? тонкий ФДМ-1А; ? ФДМЭ-2А; ? гибкий ФДЛ; ? травящийся ФТС-1(2); ? теплостойкий СТФ-1(2); ? с тонкой фольгой СТПА-5-1; ? слофадит; ? негорючий СТНФ; ? общего назначения, негорючий СОНФ-2. Фторопласт фольгированный:	35,50 35,50 35,50 - - 35,50 18,35 50 18,35 18,35 18,35 18,35 18,35 18,35 5 5 18,35 18,35 50 50 35	1…3 1…3 1…3 0,8…1,5 0,7…2,0 0,5…3 0,8…3 0,8…3 0,06…2 0,2…0,35 0,1…0,2 0,06…0,12 0,08…0,5 0,1…3 0,1…2 0,5…3 0,08…3 0,13…3 1,5…5 0,5…3 1…10	ОПП ОПП, ДПП ДПП ДПП ОПП, ДПП ОПП, ДПП ОПП, ДПП ДПП, МПП МПП МПП МПП, ГПК МПП ДПП, МПП ОПП, ДПП ГПП ДПП, МПП МПП, ДПП ОПП, ДПП ГПК ДПП, СВЧ ПП
Полистирол и его сополимеры с наполнителями: ? ПТ-3 (5, 7, 10, 16); ? СТ-3 (5, 7, 10, 16). Керамика алюмооксидная ВК-94-1. Лавсан фольгированый: ? ЛФ-1; ? ЛФ-2. Полиимид фольгированный : ? ПФ-1; ? ПФ-2. Полиимид нефольгированый: ? ПМ-1; ? Kapton. Стеклоткань прокладочная: ? СП-1-0,025; ? травящаяся СП-3-0,06; ? самозатухающая СПС-1. Фольга электролитическая: ? ФМЭГ-Н (общего назначения); ? ФМЭГ-ЛН (пластичная); ? ФМЭГ-ЛН (нагревостойкая);	50 50 - 35 50 30 50 - - - - - 18…105 18…105 18…105 18…105	1,0…1,5 1,0…15 0,5…2 0,05 0,1 0,05 0,1 0,025…0,07 0,025…0,07 0,025 0,06 0,1 - - - -	ОПП, СВЧ ПП ДПП МПП ГПП ГПК ГПП ГПК ДПП, МПП ДПП, МПП МПП МПП МПП СФ, ФТС ПФ,ЛФ СТФ

Наличие в коммутирующих устройствах мощных цепей питания и высокого напряжения увеличивает опасность возгорания ПП. Повышение огнестойкости органических диэлектриков достигается введением в их состав антипиренов (например, тетрабромдифенилпропана).

Нефольгированные диэлектрики применяют при химической и химико-гальванической технологии металлизации ПП. Для улучшения прочности сцепления металлического покрытия с основанием на его поверхность наносят тонкий (50…100 мкм) полуотвержденный клеевой слой (например, эпоксикаучуковую композицию). Введение в лак, пропитывающий стеклоткань, 0,1…0,2 мас.% палладия, смеси палладия с оловом или закиси меди незначительно снижает сопротивление изоляции, но повышает качество металлизации.

Соединение отдельных слоев МПП осуществляют специальными склеивающими прокладками, которые изготавливают из стеклоткани, пропитанной недополимеризованной эпоксидной смолой (см. табл. 5.2). Содержание смолы в прокладках должно быть в пределах 42…52 %, а летучих веществ - не более 0,75 %. Длительное сохранение клеящих свойств межслойных прокладок достигается их консервацией в герметически упакованных полиэтиленовых мешках при пониженной () температуре.

Для производства печатных кабелей применяют армированные фольгированные пленки из фторопласта и полиэфирные пленки (например, из полиэтилентерефталата).

Более высокой термостабильностью (до ), прочностью на растяжение, несгораемостью, радиационной стойкостью, а также способностью к равномерному травлению в щелочных растворах обладают полиимидные пленки (см. табл. 5.2 и 5.4), но высокая стоимость и водопоглащение ограничивают их широкое применение коммутационными платами (ДПП и МПП) для микроэлектронной аппаратуры. Термопластичные материалы, обладающие повышенной текучестью, используются при изготовлении рельефных ПП. К ним относятся сложные композиции, основу которых составляют полиэфирсульфоны, полиэфиримиды и др. Введение в пластмассы стеклянного и другого наполнителя увеличивает их рабочую температуру до , что позволяет осуществлять групповые способы пайки навесных компонентов на таких ПП.

В качестве основы для ПП СВЧ-диапазона используют неполярные полимеры (фторопласт, полиэтилен, полипропилен, полистирол, полифениленоксид) и их сополимеры.

Направленное изменение свойств органических материалов достигается введением добавок (например, алунда, двуокиси титана и др.), армированием полимеров (например, кварцевой стеклотканью, высокопрочными ткаными и (или) дискретными волокнами политетрафторэтилена, полиимида, арамида, кевлара и др.), использованием сочетания эпоксидной и полиимидной смол, а также новых полимерных материалов в качестве связующего (например, бисмалеинимидов, триазинов или продуктов их взаимодействия в виде ВТ-смол и др.) и плакированием фольгой с низким ТКЛР (например, со структурой медь-инвар-медь).

Керамические материалы характеризуются высокой механической прочностью, которая незначительно изменяется в диапазоне температур ,стабильностью электрических характеристик и геометрических параметров, низким водопоглощением (см. табл. 5.4) и газовыделением при нагреве в вакууме, хрупкостью и высокой стоимостью. Они предназначены для изготовления одно- и многослойных коммутационных плат микросборок, а также для ПП СВЧ-диапазона.

Изготавливают керамические основания для ПП прессованием, а чаще - литьем под давлением или отливкой пленок из тестообразной композиционной массы, включающей мелкодисперсный порошок необходимого неорганического диэлектрика. Для создания мощных быстродействующих устройств изготавливают ПП на основаниях из различных керамик, в частности, оксидных керамик на основе (например, в виде поликора), и др., а также бескислородных керамик на основе , AlN, BN, SiC и др.. Перспективно также использование тонких высокотеплопроводящих алмазных пленок с коэффициентом теплопроводности до 900 - 1000 Процесс получения плат из керамических пленок позволяет снизить их шероховатость, разнотолщинность, расширить технологические возможности при изготовлении МПП.

Платы на металлическом основании применяются в изделиях с большой токовой нагрузкой, работающих при повышенных температурах. В качестве основы чаще используются сплавы алюминия или сплавы железа с никелем. Изолирующий слой на поверхности алюминия и его сплавов получают анодным оксидированием. Варьируя состав электролита и режим электролиза, можно формировать оксидные пленки толщиной от нескольких десятков до сотен микрон с сопротивлением изоляции Ом. На стальных основаниях слои изоляции получают с помощью специальных эмалей, изготавливаемых в виде пленочных покрытий. В состав эмалей входят оксиды магния, кальция, кремния, бора, бериллия, алюминия или их смеси, связка (поливинилхлорид, поливинилацетат или метилметакрилат) и пластификатор. Пленка соединяется с основанием путем прокатки между вальцами с последующим вжиганием. Таким образом можно создавать многослойные структуры с различными механическими и электрическими характеристиками Бойко В.И. Схемотехника электронных систем. Печатные платы. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004.- 464с.:.

Соответствие электрофизических свойств и других качественных характеристик конструкционных материалов, используемых при изготовлении ПП и МПП, требованиям технических условий устанавливается входным контролем предприятия по стандартным методикам. Одновременно контролируются технологические свойства материалов. Испытание на пробивку отверстий проводится на тестовой плате в нормальных климатических условиях или при нагреве до . Пуансоном последовательно пробивают несколько серий отверстий. При переходе от одной серии к другой уменьшают перемычку между отверстиями (от 3,0 до 0,5 мм) и визуально определяют, при каком значении перемычки появляются трещины. Штампуемость

,

где - самая узкая неповрежденная ширина перемычки, h - толщина материала. Устойчивость к действию растворителей проверяется путем помещения заготовки на 2 мин в пары трихлорэтилена. После этого на ней не должно наблюдаться вздутий и расслоения. Содержание смолы в прокладочной стеклоткани контролируется взвешиванием тестовой платы до и после термообработки в течение 30…40 мин при заданной температуре. Проверяется также влияние технологических операций на прочность сцепления фольги с диэлектриком. Для этого на тестовой плате изготавливается несколько проводников с заданной шириной. С применением, например, методики оценки адгезии покрытий определяется прочность сцепления в исходом состоянии и после воздействия технологических факторов (например, времени травления и др.).

В качестве основы в слоистых пластиках используют электроизоляционную бумагу (гетинакс) или чаще стеклянную ткань (стеклотекстолит). Их пропитывают фенольной или фенолоэпоксидной смолой.

Фольгирование диэлектриков с одной или с двух сторон осуществляют прессованием при температуре 160...180°С и давлении 5...15 МПа. Фольгированные слоистые диэлектрики поставляются в виде листов толщиной 0,06... 3 мм. Их используют при субтрактивных методах изготовления ПП и MПП.

Гетинакс, обладая удовлетворительными электроизоляционными свойствами в нормальных климатических условиях, хорошей обрабатываемостью и низкой стоимостью, нашел применение в производстве бытовой РЭА.

Стеклотекстолиты обладающие лучшими техническими характеристиками используют для ПП, эксплуатирующихся в сложных климатических условиях. Они отличаются широким диапазоном рабочих температур (--60 ... +150°С), низким (0,2...0,8%) водопоглощением, высокими значениями объемного и поверхностного сопротивлений, стойкостью к короблению.

Для улучшения прочности сцепления металлического покрытия с основанием на его поверхность наносят тонкий (50... 100 мкм) полуотвержденный клеевой слой (например, эпоксикаучуковую композицию).

Соединение отдельных слоев MППl осуществляют специальными склеивающими прокладками, которые изготавливают из стеклоткани, пропитанной недополимеризованной эпоксидной смолой. Содержание смолы в прокладках должно быть в пределах 42...52%, а летучих веществ -- не более 0,75 %.

Технологии изготовления печатных плат

Субтрактивные методы. По субтрактивной технологии рисунок проводников получается травлением медной фольги по защитному изображению в фоторезисте или металлорезисте. Применяются три разновидности субтрактивной технологии.

Первый вариант (рис. 2) - негативный процесс с использованием сухого пленочного фоторезиста (СПФ). Процесс достаточно простой, применяется при изготовлении односторонних и двухсторонних ПП. 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.

Рис.2. Негативный процесс с использованием сухого пленочного фоторезиста

Второй вариант- позитивный процесс. Создается проводящий рисунок двухсторонних слоев с межслойными металлизированными переходами (отверстиями). Сухой пленочный фоторезист (СПФ) наслаивается на заготовки фольгированного диэлектрика, прошедшие операции сверления отверстий и предварительной (5-7 мкм) металлизации медью стенок отверстий и всей поверхности фольги. В процессе фотолитографии СПФ защитный рельеф получают на местах поверхности металлизированной фольги, подлежащей последующему удалению травлением. На участки, не защищенные СПФ, последовательно осаждаются медь и металлорезист (сплав SnPb), в том числе и на поверхность стенок отверстий. После удаления маски СПФ незащищенные (более тонкие) слои меди вытравливаются. Процесс более сложный, однако, с его помощью удается получить металлизированные стенки отверстий.

Третий вариант (рис. 3) - 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 СФП, который формирует маску во время фотолитографии в виде рисунка печатных проводников и образует завески - тенты над металлизированными отверстиями, защищая их во время последующей операции травления свободных участков медной фольги. В этом процессе используются свойства пленочного фоторезиста наслаиваться на сверленые подложки без попадания в отверстия и образовывать защитные слои над металлизированными отверстиями. Применение тентинг-метода упрощает технологический процесс изготовления двусторонних ПП с металлизированными отверстиями. Однако необходимо обеспечить гарантированное запечатывание отверстий фоторезистом. Кроме того, качество поверхности металла вокруг отверстий должно быть очень хорошим, без заусениц.

Рис. 3. Тентинг-процесс

Для получения изображений используется пленочный фоторезист толщиной 15-50 мкм. Толщина фоторезиста в случае метода "тентинг" диктуется требованиями целостности защитных завесок над отверстиями на операциях проявления и травления, проводимых разбрызгиванием проявляющих и травящих растворов под давлением 1,6-2 атм. и более. Фоторезисты толщиной менее 45-50 мкм на этих операциях над отверстиями разрушаются.

Подготовка поверхностей заготовок под наслаивание пленочного фоторезиста с целью удаления заусенцев сверленых отверстий и наростов гальванической меди производится механической зачисткой абразивными кругами с последующей химической обработкой в растворе персульфата аммония или механической зачисткой водной пемзовой суспензией. Такие варианты подготовки обеспечивают необходимую адгезию пленочного фоторезиста к медной поверхности подложки и химическую стойкость защитных изображений на операциях проявления и травления. Кроме того, механическая зачистка пемзой дает матовую однородную поверхность с низким отражением света, обеспечивающая более однородное экспонирование фоторезиста.

Фоторезист наслаивается по специально подобранному режиму: при низкой скорости наслаивания 0,5 м/мин, при температуре нагрева валков 115 °С ± 5 °С, на подогретые до температуры 60 ч 80 °С заготовки. При экспонировании изображения используются установки с точечным источником света, обеспечивающим высококоллимированный интенсивный световой поток на рабочую поверхность с автоматическим дозированием и контролем световой энергии.

Субтрактивный метод получения рисунка проводников ПП основан на травлении медной фольги по защитной маске. Из-за процессов бокового подтравливания меди под краями маски поперечное сечение проводников имеет форму трапеции, расположенной большим основанием на поверхности диэлектрика. Величина бокового подтравливания и, соответственно, разброс ширины создаваемых проводящих дорожек зависит от толщины слоя металла: при травлении фольги толщиной 5 мкм интервал разброса ширины проводников порядка 7 мкм, при травлении фольги толщиной 20 мкм разброс составляет 30 мкм, а при травлении фольги толщиной 35 мкм разброс составляет около 50 мкм. Искажения ширины медных проводников по отношению к размерам ширины их изображений в фоторезисте и на фотошаблоне смещаются в сторону заужения. Следовательно, при субтрактивной технологии размеры проводников на фотошаблоне необходимо увеличивать на величину заужения. Из этого следует, что субтрактивная технология имеет ограничения по разрешению, которые определяются толщиной фольги и процессами травления. Минимально воспроизводимая ширина проводников и зазоров составляет порядка:

· 50 мкм при толщине фольги 5-9 мкм;

· 100 - 125 мкм при толщине проводников 20 - 35 мкм;

· 150 - 200 мкм при толщине проводников 50 мкм.

Аддитивные методы. Для изготовления печатных плат с шириной проводников и зазоров 50 -100 мкм с толщиной проводников 30-50 мкм рекомендуется использовать аддитивный метод формирования рисунка (метод ПАФОС). Это полностью аддитивный электрохимический метод, по которому проводники и изоляция между ними (диэлектрик) формируются селективным гальваническим осаждением проводников и формированием изоляции только в необходимых местах прессованием. Метод ПАФОС, как аддитивный метод, принципиально отличается от субтрактивного тем, что металл проводников наносится, а не вытравливается. Проводящий рисунок формируется (рис. 6.5) последовательным наращиванием слоев: 1 - получение на временных "носителях" - листах из нержавеющей стали - медной шины толщиной 2ч20 мкм; 2 - формирование рисунка в СПФ; 3 - гальваническое осаждение тонкого слоя никеля (2ч3 мкм) и меди (30 ч 50 мкм) по рисунку освобождений в рельефе пленочного фоторезиста. В защитном рельефе пленочного фоторезиста на верхнюю поверхность сформированных проводников производится также нанесение адгезионных слоев. После этого пленочный фоторезист удаляется, и проводящий рисунок на всю толщину впрессовывается в препрег или другой диэлектрик. Полученный прессованный слой вместе с медной шиной механически отделяется от поверхности носителей. Если не нужны межслойные переходы, то медная шина стравливается.

По способу создания токопроводящего покрытия аддитивные методы разделяются на химические и химико-гальванические. При химическом процессе на каталитически активных участках поверхности происходит химическое восстановление ионов металла. В разработанных растворах скорость осаждения меди составляет 2-4 мкм/ч и для получения необходимой толщины процесс продолжается длительное время Петухов А.Б. Технологии изготовления печатных плат. - М.: РадиоСофт, 2004. - 544с..

Для изготовления печатных плат с шириной проводников и зазоров 50 -100 мкм с толщиной проводников 30-50 мкм рекомендуется использовать аддитивный электрохимический метод формирования рисунка, по которому проводники и изоляция между ними (диэлектрик) формируются селективным гальваническим осаждением проводников и формированием изоляции только в необходимых местах прессованием. Метод, как аддитивный, принципиально отличается от субтрактивного тем, что металл проводников наносится, а не вытравливается.

Рис.4. Проводящий рисунок

Проводящий рисунок формируется (рис. 4) последовательным наращиванием слоев: 1 - получение на временных "носителях" - листах из нержавеющей стали - медной шины толщиной 2ч20 мкм; 2 - формирование рисунка в СПФ; 3 - гальваническое осаждение тонкого слоя никеля (2ч3 мкм) и меди (30 ч 50 мкм) по рисунку освобождений в рельефе пленочного фоторезиста. В защитном рельефе пленочного фоторезиста на верхнюю поверхность сформированных проводников производится также нанесение адгезионных слоев (5). После этого пленочный фоторезист удаляется (6). При изготовлении ДПП подготовленные пластины разделяются пластиной препрега или другого диэлектрики (7) и спрессовываются (8), после чего механически удаляются носители (9). Если не нужны межслойные переходы, то медные шины стравливается и плата готова (10).

При изготовлении двухсторонних слоев с межслойными переходами перед травлением тонкой медной шины сверлятся и металлизируются отверстия. Проводящий рисунок, утопленный в диэлектрик и сверху защищенный слоем никеля, при травлении медной шины не подвергается воздействию травильного раствора. Поэтому форма, размеры и точность проводящего рисунка определяются формой и размерами освобождений в рельефе пленочного фоторезиста, т.е. процессами фотохимии (фотолитографии). Отсюда к процессам фотолитографии предъявляются более жесткие требования, в частности, оптической плотности белых и черных полей фотошаблонов, резкости края изображения, стабильности температуры и влажности в рабочих помещениях. Профиль фоторельефа пленочного фоторезиста зависит от применяемой модели светокопировальной установки. При экспонировании на установках с совершенной экспонирующей системой, обеспечивающей высокую коллимацию высокоинтенсивных световых лучей и отсутствие нагрева рабочей копировальной поверхности, фоторельеф имеет ровные боковые стенки с малым наклоном к поверхности подложки.

При обеспечении требуемых параметров технологического процесса аддитивная технология позволяет получать рисунок проводников на плате с большей точностью и воспроизводимостью:

· ширина проводников, сформированных в рельефе пленочного фоторезиста, практически по всей высоте проводника равна ширине изображения на фотошаблоне, интервал разброса не превышает 5-10 мкм;

· искажения ширины проводников на поверхности подложки относительно размеров на фотошаблоне в среднем составляют от 10 мкм до 20 мкм;

· суммарный интервал разброса ширины проводников по всей высоте фоторельефа не превышает 15-20 мкм.

Таким образом, в отличие от субтрактивной технологии аддитивные процессы принципиально позволяют получать ПП по самым высоким классам точности.

Методы нанесения рисунка ПП. Основными методами, применяемыми в промышленности для создания рисунка печатного монтажа, являются офсетная печать, сеткография и фотопечать. Выбор метода определяется конструкцией ПП, требуемой точностью и плотностью монтажа, производительностью оборудования и экономичностью процесса.

Метод офсетной печати состоит в изготовлении печатной формы, на поверхности которой формируется рисунок слоя. Форма закатывается валиком трафаретной краской, а затем офсетный цилиндр переносит краску с формы на подготовленную поверхность основания ПП. Метод применим в условиях массового и крупносерийного производства с минимальной шириной проводников и зазоров между ними 0,3-0,5 мм (платы 1 и 2 классов плотности монтажа) и с точностью воспроизведения изображения ±0,2 мм. Его недостатками являются высокая стоимость оборудования, необходимость использования квалифицированного обслуживающего персонала и трудность изменения рисунка платы.

Сеткографический метод основан на нанесении специальной краски на плату путем продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, на котором необходимый рисунок образован ячейками сетки, открытыми для продавливания. Метод обеспечивает высокую производительность и экономичен в условиях массового производства. Точность и плотность монтажа аналогичны предыдущему методу.

Самой высокой точностью (±0,05 мм) и плотностью монтажа, соответствующими 3--5 классу (ширина проводников и зазоров между ними 0,1-0,25 мм), характеризуется метод фотопечати. Он состоит в контактном копировании рисунка печатного монтажа с фотошаблона на основание, покрытое светочувствительным слоем (фоторезистом).

Однослойные ПП и ГПК изготавливают преимущественно субтрактивным сеточно-химическим или аддитивным методом, а ДПП и ГПП химико-гальваническим аддитивным или комбинированными фотохимическими (негативным или позитивным) методами. Производство МПП основано на типовых операциях получения ОПП и ДПП и некоторых специфических процессах, таких как прессование слоев, создание межслойных соединений и др. Выбор метода изготовления МПП определяется следующими факторами: числом слоев, надежностью соединений, плотностью монтажа, видом выводов устанавливаемых ЭРЭ и ИС, возможностью механизации и автоматизации, длительностью производственного цикла, экономичностью. Методы, основанные на использовании объемных деталей для межслойных соединений, характеризуются повышенной трудоемкостью, низкой надежностью, плохо поддаются автоматизации. Наиболее распространен из второй группы метод металлизации сквозных отверстий Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. - СПб.: БХВ-Петербург, 2002. -528с..

Пленочные технологии изготовления ПП. Повышение требований к качеству ПП и стабильности их параметров привело к созданию ПП и МПП на керамических и полиимидных основаниях. Для изготовления таких плат применяются многочисленные методы, основанные на тонко- и толстопленочной технологии. При использовании тонкопленочной технологии диэлектрические и токопроводящие слои наносят с помощью одного из методов вакуумного испарения, которые характеризуются разнообразием применяемых материалов и возможностью создания многослойных структур в одном технологическом цикле. Недостатками метода являются низкая производительность, сложность технологического оборудования, необходимость вакуума.

При использовании толстопленочной технологии с помощью трафаретной печати создают изоляционные и проводящие слои, которые затем вжигают в основание. Так как керамика в неотожженном состоянии допускает механическую обработку для получения монтажных отверстий, то появляется возможность методом послойного наращивания формировать многослойные структуры с межслойными проводящими переходами. Метод обеспечивает высокую надежность изделий и производительность процесса без применения дорогостоящего оборудования. Однако при изготовлении многослойных проводящих структур требуются материалы со ступенчатыми температурами вжигания. Применение сырых керамических пленок позволяет параллельно изготавливать слои МПП. Собранные по базовым отверстиям пакеты заготовок спрессовываются при температуре 75-100 °С, а затем спекаются при 1500-1800°С. Скорость повышения температуры должна быть оптимальной и не приводить к растрескиванию подложки. Существенное уменьшение линейных размеров (на 17-20%) требует точного расчета при первоначальном нанесении рисунка на сырые листы.

Технологический процесс изготовления МПП на полиимидных пленках начинается с изготовления ДПП. С помощью двустороннего фототравления за один цикл формируются монтажные отверстия диаметром 50-70 мкм на пленке толщиной 50 мкм. При травлении образуется конусообразная форма отверстий, удобная для последующей вакуумной металлизации толщиной 1-2 мкм. После избирательного усиления металлизации слоем гальванической меди и технологическим покрытием (Sn--Ni, Sn--Bi, Sn--Pb) платы поступают на сборку. Многослойные ПП получают приклеиванием двухслойных плат через фигурные изоляционные прокладки из полиимида к жесткому основанию, на котором предварительно сформированы контактные площадки. В качестве основания используются металлические пластины с изолирующим слоем (анодированный алюминий, эмалированная сталь и др.). Электрическое соединение отдельных слоев проводится пайкой в вакууме. Таким образом, можно формировать платы с 15-20 слоями.

В разработанном приборе применяется три вида отдельных плат для воздействия на организм ультразвука, микротоков и криотерапии.

Печатные платы для воздействия на организм ультразвука изготовляют из двустороннего фольгированного стеклотекстолита марки СФ2-35-1.5. Для обеспечения необходимой надежности, технологических показателей отверстия целесообразно сделать металлизированными. Плата изготавливается комбинированным позитивным методом с металлизацией отверстий.

Для маркировки печатных плат и элементов на печатной плате выбирают краску маркировочную МКЭЧ, черная, ГОСТ 12034-77. Данная краска механически прочная, эластичная, с хорошей адгезией.

Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и т.д.) зависят от правильного выбора припоя и флюса. Припой должен обладать хорошей смачивающей способностью, иметь температуру плавления не меньше 160°С, быть дешевым. Наиболее подходящим припоем для разрабатываемого прибора является ПОС-61.

Для флюсования печатной платы физиотерапевтического устройства можно воспользоваться флюсом ФКТ, который хорошо очищает поверхность перед пайкой, не является коррозийно активным и легко удаляется после пайки.

Наиболее целесообразным способом изготовления печатных плат для воздействия на организм ультразвука. Технологический процесс изготовления печатной платы состоит из следующих операций:

1. Резка заготовок

2. Пробивка базовых отверстий

3. Подготовка поверхности заготовок

4. Нанесение сухого пленочного фоторезиста

5. Нанесение защитного лака

6. Сверловка отверстий

7. Химическое меднение

8. Снятие защитного лака

9. Гальваническая затяжка

Резка заготовок.

Фольгированные диэлектрики выпускаются размерами 1000-1200 мм, поэтому первой операцией практически любого технологического процесса является резка заготовок. Для резки фольгированных диэлектриков используют роликовые одноножевые, многоножевые и гильотинные прецизионные ножницы. На одноножевых роликовых ножницах можно получить заготовки размером от 50 х 50 до 500 х 900 мм при толщине материала 0,025-3 мм. Скорость резания плавно регулируется в пределах 2-13,5 м/мин. Точность резания ±1,0 мм. Для удаления пыли, образующейся при резании заготовки, ножницы оборудованы пылесосом. В данном технологическом процессе будем применять одноножевые роликовые ножницы при скорости резания 5 м/мин.

Из листов фольгированного диэлектрика одноножевыми роликовыми ножницами нарезается заготовки требуемых размеров с припуском на технологическое поле по 10 мм с каждой стороны. Далее с торцов заготовки необходимо снять напильником заусенцы во избежание повреждения рук во время технологического процесса. Качество снятия заусенцев определяется визуально.

Резка заготовок не должна вызывать расслаивания диэлектрического основания, образования трещин, сколов, а также царапин на поверхности заготовок.

Пробивка базовых отверстий.

Базовые отверстия необходимы для фиксации платы во время технологического процесса. Сверловка отверстий является разновидностью механической обработки. Это одна из самых трудоемких и важных операций. При выборе сверлильного оборудования необходимо учитывать следующие основные особенности: изготовление нескольких тысяч отверстий в смену, необходимость обеспечения перпендикулярных отверстий поверхности платы, обработка плат без заусенцев. Кроме того, необходимо обеспечить моментальное удаление стружки из зоны сверления. Как известно стеклотекстолит является высокоабразивным материалом, поэтому необходимо применять твердосплавные сверла. Применение сверл из твердого сплава позволяет значительно повысить производительность труда при сверлении и улучшить чистоту обработки отверстий. В большинстве случаев заготовки сверлят в пакете, высота пакета до 6 мм.

Подготовка поверхности заготовок.

От состояния поверхности фольги и диэлектрика во многом определяется адгезия наносимых впоследствии покрытий. Качество подготовки поверхности имеет важное значение как при нанесении фоторезиста, так и при осаждении металла.

Широко используют химические и механические способы подготовки поверхности или их сочетание. Консервирующие покрытия легко снимаются органическим растворителем, с последующей промывкой в воде и сушкой. Окисные пленки, пылевые и органические загрязнения удаляются последовательной промывкой в органических растворителях (ксилоле, бензоле, хладоне) и водных растворах фосфатов, соды, едкого натра.

Удаление оксидного слоя толщиной не менее 0,5 мкм необходимо произвести механической очисткой крацевальными щетками или абразивными валками. Гидроабразивная обработка удаляет с фольги заусенцы, образующиеся после сверления, и очищает внутренние медные торцы контактных площадок в отверстиях многосторонних печатных плат от эпоксидной смолы.

Высокое качество очистки получают при сочетании гидроабразивной обработки с использованием водной суспензии и крацевания.

Обработка поверхности производится вращающимися латунными щетками в струе технологического раствора. Установка может обрабатывать заготовки максимальным размером 500х500 мм при их толщине 0,1-3,0 мм, частота вращения щеток 1200 об/мин, усилие поджатия плат к щеткам 147 Н.

Химическое удаление оксидной пленки (декапирование) наиболее осуществляется в 10 %-ном растворе соляной кислоты.

К качеству очистки фольгированной поверхности предъявляют высокие требования, так как от этого во многом зависят адгезия фоторезиста и качество рисунка схемы.

Подготовка поверхности заготовок производится декапированием заготовок в 5% соляной кислоты и обезжириванием венской известью. Для этого помещают заготовки на 15 сек в 5%-ный раствор соляной кислоты при температуре 18⁰-25⁰ С, затем промывают заготовки в течение 2-3 мин в холодной проточной воде при температуре 18⁰-25⁰ С, зачищают заготовки венской известью в течение 2-3 мин, снова промыть заготовки в холодной проточной воде при температуре 18⁰-25⁰ С в течение 2-3 мин, затем декапируют заготовки в 5%-ном растворе соляной кислоты в течение 1-3 сек при температуре 18⁰-25⁰ С, опять промывают заготовки в холодной проточной воде в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ C, промывают заготовки в дистиллированной воде при температуре 20±2⁰ С, проявляют заготовку в установке проявления АРС-2.950.000, затем промывают плату в мыльном растворе, промывают заготовки в холодной проточной воде в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С, декапируют заготовки в 20%-ном растворе серной кислоты в течение 1 мин при температуре 20±2⁰ С.

Химическое меднение

Процесс химического меднения основан на восстановлении ионов двухвалентной меди из ее комплексных солей. Толщина слоя химически осажденной меди 0,2-0,3 мкм. Химическое меднение можно проводить только после специальной подготовки - каталитической активации, которая может проводиться одноступенчатым и двухступенчатым способом.

При двухступенчатой активации печатную плату сначала необходимо обезжирить, затем декапировать торцы контактных площадок. При одноступенчатой активации предварительная обработка (обезжиривание и декапирование) остается такой же, а активация происходит в коллоидном растворе, который содержит концентрированную серную кислоту и катионы палладия при комнатной температуре.

Для плат, основанных на воздействии на организм ультразвука процесс химического меднения состоит из следующих операций: обезжиривание платы в растворе тринатрий фосфата и кальцинированной соли в течение 5-10 мин при температуре 50-60⁰ С; промывание платы горячей проточной водой в течение 1-2 мин при температуре 50-60⁰ С; промывание платы холодной проточной водой в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С; декапирование торцов контактных площадок в 10%-ном растворе соляной кислоты в течение 3-5 сек при температуре 18-25⁰ С; промывание платы холодной проточной водой в течение 1-2 мин при температуре 18-25⁰ С; промывание платы в дистиллированной воде в течение 1-2 мин при температуре 18-25⁰ С; активирование в растворе хлористого палладия, соляной кислоты, двухлористого олова и дистиллированной воды в течение 10 мин при температуре 18-25⁰ С; промывание платы в дистиллированной воде в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С; операция электрополировки с целью снятия металлического палладия с поверхности платы в течение 2 мин при температуре 20±2⁰ С; протирание поверхности платы бязевым раствором в течение 2-3 мин; промывание платы холодной проточной водой в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С; промывание платы в холодной проточной воде в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С; промывание платы холодной проточной водой в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С; произвести визуальный контроль покрытия (покрытие должно быть сплошным без подгара, не допускаются механические повреждения, отслоения и вздутия).

Для нанесения защитного покрытия необходимо промыть платы дистиллированной водой в течение 1-2 мин при температуре 18-25⁰ С, затем произвести гальваническое покрытие сплавом олово-свинец в растворе борфтористоводородной кислоты, борной кислоты, мездрового клея, нафтохинондисульфоновой кислоты, 25%-ного аммиака, металлического свинца, металлического олова, гидрохинона и дистиллированной воды в течение 12-15 мин при температуре 20 градусов Хрулёв А.К., Черепанов В.П. Печатные платы медицинских приборов. -М.:РадиоСофт, 2001. -960с..

Платы для воздействия на организм микротоков и криотерапии характеризуются высокой чувствительностью, их необходимо изготовлять химическим методом - травление фольгированного диэлектрика без металлизации монтажных отверстий. Выбор материала определяется электроизоляционными свойствами, механической прочностью, обрабатываемостью, стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся климатических условий, себестоимостью. Стеклотекстолит превосходит гетинакс практически по всем техническим и электрическим характеристикам. Целесообразно изготовить печатные платы на основе СФНП-1-35-2 ГОСТ 10316-78 - фольгированный стеклотекстолит с повышенной нагревостойкостью, толщиной 2 мм, облицовочный с одной стороны медной электролитической фольгой толщиной 35 мкм.

Основные операции для получения печатных плат химическим методом:

1) получение заготовок;

2) подготовка поверхности фольги;

3)покрытие фольги светочувствительной кислотоупорной фотоэмульсией;

4) экспонирование негатива на эмульсированную заготовку;

5) проявление изображения рисунка печатного монтажа;

6) химическое травление пробельных участков схемы;

7) удаление защитного кислотоупорного слоя с печатного монтажа;

8) нанесение гальванического покрытия на полученный печатный монтаж;

9) механическая обработка печатной платы;

10) нанесение влагозащитного органического покрытия (лаков).

Заготовки оснований получают резкой листов фольгированного диэлектрика с припуском 10-20 мм на размер платы, указанный в чертеже.

Подготовка поверхности фольги зависит от способа нанесения изображения проводников. При нанесении рисунка фотоспособом подготовка заключается в зачистке поверхности фольги влажным наждачным порошком и промывке в проточной воде, обработке в 5-7% растворе соляной кислоты (декапирование) в течении 30 сек и тщательной промывке водой на душевой установке. Правильно подготовленная поверхность фольги должна хорошо смачиваться водой.

При нанесении рисунка тиснением поверхность фольги обезжиривается путем промывки в горячей и холодной проточной воде, а затем покрывается слоем желатина. Нанесение желатина производится окунанием основания в ванночку, наполненную 2-3%-ным водным раствором желатина. Сушка производится при температуре 35-45оС в течении 10-15 мин.

Нанесение изображения печатных проводников производится одним их методов, рассмотренных ранее. Удаление участков фольги, не покрытых защитным слоем, производится травлением. В качестве реактива для травления наиболее широко применяется водный раствор технического хлорного железа. Иногда в него добавляют соляную кислоту. Этот раствор имеет невысокую стоимость и легко доступен, так как широко применяется в различных отраслях техники. Процесс разрушения медной фольги протекает в соответствии с реакцией:

2FeCl₃ + Cu > 2FeCl₂ + CuCl₂