Краткие теоретические сведения. В настоящее время применяются следующие типы (табл

.

В настоящее время применяются следующие типы (табл. 3.1) печатных плат: односторонние, двусторонние, многослойные и гиб­кие печатные платы. ПП делятся на группы: с межслойными со­единениями, обеспечиваемыми в процессе изготовления послойным наращиванием, попарным прессованием, металлизацией сквозных отверстий; без межслойных соединений, определяемых конструк­цией платы в виде открытых контактных площадок и выступаю­щих выводов.

В зависимости от механических требований и метода изготов­ления номинальный размер толщины ПП следует выбирать рав­ным 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0. Толщина МПП определяется количе­ством слоев, прокладок и технологией их склеивания. Суммарная толщина склеивающих прокладок между смежными слоями долж­на быть не менее двух толщин проводников, располагающихся на внутренних слоях. Предельные отклонения толщины ОПП и ДПП определяются допуском на материал платы и толщину гальваниче­ских покрытий.

Предельные отклонения толщины МПП составляют: 0,15 мм при толщине платы до 1 мм включительно; ±0,20 мм – при толщине - 1-2 мм; ± 0,30 мм - при толщине 2-3 мм.

Центры монтажных отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки, шаг которой по ГОСТ 10317-72 равен 0,5 мм. Диаметры монтажных и переходных металлизированных отверстий в зависимости от диаметра вывода навесного элемента выбирают равными 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,3; 1,5; 1,8; 2,0 мм. Разница между диаметром вывода и диаметром металлизированного отверстия рекомендуется не более 0,4 мм - для выводов диаметром 0,4; 0,6; 0,8 мм; 0,6 мм - для выводов диаметром 1,0; 1,2; 1,5; 1,7 мм.

Металлизированные отверстия на двусторонних ПП, а также на наружных слоях МПП со стороны фольги должны иметь контактные площадки. На внутренних слоях МПП контактные площадки должны быть у отверстий, электрически связанных с проводниками слоя. КП рекомендуется выполнять круглой или прямоугольном формы. Металлизированные отверстия должны выполняться без зенковки. Не металлизированные отверстия односторонних печат­ных плат выполняются с зенковкой со стороны, обратной распо­ложению рисунка печатного монтажа.

Печатные проводники рекомендуется выполнять одинаковой ширины на всем их протяжении. В узких местах, например, между двумя соседними монтажными отверстиями, следует сужать про­водники до минимально допустимых значений и прокладывать их перпендикулярно оси, соединяющей центры отверстий. Оси про­водников рекомендуется совмещать с линиями координатной сет­ки. Элементы проводящего рисунка следует располагать от края платы, не металлизированного отверстия, паза и других конструк­тивных элементов на расстоянии, равном номинальной толщине платы, для плат толщиной менее 1 мм.

Все изготавливаемые ПП соответствуют так называемым клас­сам точности, определяющим параметры элементов проводящего рисунка. То, по какому классу точности будет изготовлена ПП, за­висит от комплекса технологических возможностей производства. Зависимость минимальных значений основных геометрических параметров ПП от класса точности приведена в табл. 3.2. Макси­мальные отклонения диаметров монтажных и переходных отвер­стий указаны в табл. 3.3.

В качестве материалов ПП применяют фольгированные и не фольгированные диэлектрики (табл. 2.3), прокладочную стеклоткань и электроизоляционную пленку для защиты ГГГК. Не фольгированные диэлектрики, например СТЭФ-1-2ЛК, имеют на поверхности и мешеный слой толщиной 50-100 мкм (эпоксидно-каучуковая компонента) для обеспечения достаточной прочности сцепления с основанием осаждаемого слоя химической меди.

Следует отметить, что разработка новых методов изготовлении ПП потребовала создания новых диэлектрических материалом. Например, не фольгированный диэлектрик с введенным катализа тором и адгезивным слоем применяется для аддитивного метода, не фольгированный диэлектрик, покрываемый светочувствительной эмульсией водных растворов солей металлов, - для метода фото формирования. Освоен промышленный выпуск материала и диэлектрика, покрытого с двух сторон тонким слоем фольги (5 мкм) и предназначенного для изготовления ДПП электрохимическим (полу аддитивным) методом. Следует отметить, что разработка новых методов изготовлении ПП потребовала создания новых диэлектрических материалом. Например, не фольгированный диэлектрик с введенным катализа тором и адгезивным слоем применяется для аддитивного метода, не фольгированный диэлектрик, покрываемый светочувствительной I эмульсией водных растворов солей металлов, - для метода фото формирования. Освоен промышленный выпуск материала слофа дит-д и электрика, покрытого с двух сторон тонким слоем фольги (5 мкм) и предназначенного для изготовления ДПП электрохимическим (полу аддитивным) методом.

3.2 Методы изготовления печатных плат

Методы изготовления печатных плат, нашедшие промышленнное применение, основаны на сочетании способов получения ри­сунка печатного монтажа и способов получения токопроводящего слоя (рис. 5.1).

Рис. 3.1. Методы изготовления печатных плат

Фотографический и сеткографический способы получения ри­сунка совершенствуются с точки зрения повышения разрешающей способности, стойкости защитной маски к действию агрессивных сред и снижения трудоемкости. Кроме традиционных Способов по­лучения токопроводящего слоя: химического травления фольги и хи­мико-гальванического осаждения меди, нашел применение способ химического осаждения меди на не фольгированный диэлектрик.

В ОСТе 2.ГО.010.209 приняты четыре метода изготовления ПП. Химический метод изготовления травлением фольги с незащищен­ных мест применяется для ОПП, ГПК и внутренних слоев МПП.

Позитивный метод, основанный на сочетании химико-гальванического способа металлизации отверстий, контактных площадок и проводников со способом химического трав- к мня фольги с пробельных мест, применяется для ДПП и МПП циничных классов точности. Электрохимический (полуаддитивный) метод изготовления путем химико-гальванического предва­рительного меднения отверстий и поверхности не фольгированного диэлектрика, гальванического наращивания токопроводящих участковков и химического травления слоя предварительного меднения с пробельных мест применяется для изготовления ПП 4-го и 5-го h пассов точности. Для изготовления МПП рекомендуется метод металлизации сквозных отверстий. При этом печатный монтаж на внутренних слоях получают химическим методом, а на внешних - комбинированным позитивным методом. Материалы, применяе­мые для изготовления печатных плат, приведены в табл, 3.4.

В классификации (рис.32.1) приведены аддитивный метод формирования, не включенные в ОСТ 4.ГО.010.209, но являющиеся перспективными для производства ПП. Аддитивный метод - химическое осаждение меди в зоне токопроводящих уча­стков на нефольгированный диэлектрик с введенным катализато­ром и адгезивным слоем. Метод фотоформирования – восстановление поверхности нефольгированного диэлектрика из водных растворов солей металлов и ионов, образующих рисунок толщи­ной 0,2-0,5 мкм, и последующее химическое осаждение слоя меди. Различные модификации метода связаны с различными способами формирования рисунка - фотоосаждение металлов, проявление и восстановление ионов, формирование лучом лазера, фотоформинг.

Для сравнения в табл. 3.5 приведены основные этапы изготов­ления ПП различными методами (методы изготовления МПП не рассматриваются). Анализируя последовательность операций, сле­дует отметить, что монтажные отверстия сверлят до нанесения ри­сунка печатного монтажа (исключение - химический метод). Это требует применения сверлильных станков с программным управ­лением и точного базирования заготовок плат на станке.

Наиболее трудоемким является комбинированный позитивный и электрохимический методы. Предварительную химико-гальвани­ческую металлизацию проводят в отверстиях и на поверхности ПП, а гальваническую металлизацию (наращивание) - только на токопроводящих участках (отверстия, КП, проводники). В комби­нированном позитивном и электрохимическом методах печатный монтаж перед травлением меди с пробельных мест защищают галь­ванически осажденным металлорезистом (олово-свинец), который затем оплавляют.

Нанесение рисунка на заготовку с просверленными монтажны­ми отверстиями требует применения сухого пленочного фоторези­ста при фотохимическом способе или стекло графического способа получения рисунка (жидкий фоторезист неприемлем). Для совме­щения рисунка контактных площадок с центрами монтажных от­верстий необходимо точное базирование фотошаблона (трафарета) относительно заготовки платы.

По количеству основных этапов аддитивный метод и метод фоинформирования близки к химическому методу изготовления (Mill. Если сравнить трудоемкость методов изготовления ДПП и принять трудоемкость комбинированного позитивного метода и 100%, то трудоемкость электрохимического метода составит (аддитивного метода - ~ 70%, а метода фото формирования - 30%).

Геометрические параметры и точность печатного монтажа не­посредственно зависят от метода изготовления (рис. 3.2). При хи­мическом и гальваническом способах осаждения меди происходит увеличение размеров токопроводящих участков за счет разращивания. Если пробельные места защищены краской (толщина 5-7 мкм), разращивание будет большим и примерно соизмеримо с толщи­ной осаждаемого слоя меди. Если пробельные места защищены сухими пленочными фоторезистами (толщина 40-60 мкм), то раз- ращивание осаждаемой меди будет минимальным. Травление меди с пробельных мест сопровождается подтравливанием токопрово­дящих участков на величину, соизмеримую с глубиной травления. 11одтравливание уменьшает эффективные размеры проводников и контактных площадок. При электрохимическом методе изго­товления величина подтравливания меньше, чем при комбиниро­ванном позитивном, так как слой меди в пробельных местах имеет толщину 5-8 мкм (получен химико-гальванической металлизацией иефольгированного диэлектрика или применением материала сло- фадит с толщиной фольги 5 мкм).

При химическом способе осаждения токопроводящего слоя на не фольгированный диэлектрик подтравливание отсутствует, а раз­ращивание зависит от стойкости маски в щелочной среде ванны меднения (аддитивный метод) и исходной геометрии активирован­ных участков диэлектрика в методе фотоформирования.

Производственный опыт показывает, что комбинированный по­зитивный метод позволяет получить, например, минимальную ши­рину проводников до 0,2 мм, электрохимический метод - до 0,1 мм, метод фотоформирования - до 0,05 мм. Следует также учиты­вать, что при гальваническом осаждении толщина слоя меди в отверстиях меньше, чем на поверхности, а на периферии платы больше, чем в центре платы. Поэтому принимают, что толщина гальванической меди в отверстиях в центре ПП должна быть не менее 25 мкм.

Особенности некоторых операций ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ печатных плат

1. Металлизация печатных проводников и отверстий.

Химическое осаждение меди. Цель этой операции - получить электропроводный слой меди для обеспечения возможности по следующей гальванической металлизации отверстий. Химическое меднение диэлектрика осуществляется за счет восстановления пи его поверхности меди из растворов её солей. При этом поверхность диэлектрика должна обладать каталитическими свойствами по отношению к реакции восстановления. Такие свойства диэлектрик приобретает после операции активирования - осаждения пи его поверхности частиц металлов-катализаторов последующего химического меднения.

В производстве печатных плат широко распространен метод сенсактивирования - активирования с предварительной сенсибилизацией. Чаще всего для сенсибилизации используют растворы двухвалентного олова, а также применяют соединения Ge, Fe, Ti.

Для производства печатных плат применяют следующий рас­твор сенсибилизации: SnCl₂ - 10-100 г/л; НС1 - 10-30 мл/л. Присоединение SnCl₂ к поверхности происходит не в растворе сенси­билизирован™, а при промывке поверхности водой (Т = 18з-25°С; t = 2 э-5 мин):

SnCl₂+H₂0 -> Sn(OH)^+II⁺+Cr.

Результат сенсибилизации - осаждение на поверхности диэлек­трика солей двухвалентного олова Sn(0! ПС1 или других соеди­нений, служащих катализатором в реакции восстановления метал­ла-активатора.

Сенсибилизацию можно также проводить обработкой в краси­телях, например в метиленовом синем, анилиновом синем, с по­следующей обработкой в восстановителе Na₇S₂0₄ (гидросульфит) и промывкой.

Активирование осуществляют обработкой сенсибилизирован­ной поверхности растворами соединений каталитически активных металлов Pd, Pt, Au, Ag. Растворы могут быть кислыми. или щелочным. Металл в них находится в виде простого или комплекс- мш и соединения. При взаимодействии с сенсибилизатором на по- И1‘|1мюсти платы оседают коллоидные или малорастворимые со- | I п 11 с 111 j я металла-катализатора. Для химического меднения пе­чи I пых плат распространены два раствора активирования;

11 1ЧС1, - 0,8-1 г/л; НС1 - 1-2 г/л (Т = 20°С; t = 1 т 2 мин);

') 1Ч1С1₂ - 4 г/л; NH₄OH - 250-350 мл/л; Трилон Б — 12 г/л (Т-18-г25°С; t = 3 + 5мин).

Первый раствор - кислый, второй - щелочной. При активиро­вании диэлектрика в кислом растворе скорость химического мед­нения значительно выше. Однако при концентрации кислоты в рас- тире более 15% возможен подтрав внутреннего окисленного слоя фоны и.

И последнее время широкое распространение получало совме­щенное сенсактивирование в растворах, содержащих соли двухвалентного олова и двухвалентного палладия. На поверхности диэлектрика, обработанного в таком растворе, образуется коллоид­ная частица, включающая Sn(OH)Cl и PdCl-,. При последующей

обработке поверхности в растворе (NII₄) HF₂ образуется металли­ческий палладий - катализатор последующего меднения. Для ус­пешной металлизации диэлектрика необходимо, чтобы в процессе активирования на квадратном миллиметре поверхности детали об­разовалось 10-15 частиц палладия диаметром «50 нм.

Химическое меднение печатных плат производится в раство­рах, содержащих соль двухвалентной меди (обычно CuS0₄), вос­становитель, комплексообразователи меди, вещества, поддержи­вающие pH раствора, различные добавки. Хороший восстанови­тель, используемый для химического меднения, - формалин. При восстановлении им меди обеспечивается автокаталитический про­цесс, т. е, катализатором процесса является сама медь, что препят­ствует прекращению роста пленки меди по мере покрытия ею цен­тров кристаллизации (частиц палладия) и самопроизвольному вос­становлению меди из CuS0₄ в объеме раствора. Автокатализ при восстановлении меди гипофосфитном, гидразином, гидросульфитом выражен гораздо слабее.

Химическое меднение требует тщательного соблюдения режи­мов и концентраций. Этот процесс обладает следующими недос­татками: все растворы разового действия и имеют низкую плот­ность загрузки (< 2 дм²/л); растворы очень нестабильны и требуют тщательной отработки процесса. Химически осажденная медь об­ладает очень низким качеством. Её удельное сопротивление значительно превышает сопротивление чистой меди. Гальваническая медь плохо сцепляется с химической. Требуется механическая за чистка поверхности перед гальваническим меднением. Скорость химического осаждения меди -0,5 мкм/ч, толщина слоя меди на печатных платах составляет 0,3-0,5 мкм.

Гальваническое осаждение меди производят для получения ос­новного слоя металла-проводника. При этом плата с нанесенным слоем химической меди является катодом, а анодом - массивная медная пластина. Гальваническое меднение печатных плат предна­значено обеспечивать толщину слоя меди в отверстиях не менее 25 мкм, равномерный по толщине слой меди на поверхности пла­ты. Для этого необходима высокая рассеивающая способность элек­тролита, прочное сцепление гальванической меди с фольгой и хи­мической медью.

Наиболее распространенные в производстве ПП - сульфатные, фторборатные, фторсиликатные и пирофосфорные электролиты мед­нения. Сернокислый электролит, состоящий из CuS0₄ и H₂S0₄, обладает самой низкой рассеивающей способностью, дает крупно­зернистые осадки меди.

Н этих электролитах компоненты CuS0₄, Cu(BF₄),, CuSiF₆ заменяются растворителями анодов и способствуют получению ио­нов Си²⁺, разряжающихся на катоде. Фторборатная кислота Н₃В0₃ увеличивает проводимость электролита и способствует образова­нию мелкокристаллического осадка. Аналогичное действие оказы­вает фторсиликатная кислота U₂ Si F₆. Осаждение меди из электролитов происходит с высокой скоростью. Выход (катодный и анодный) приближается к 100%. Электролит флорсиликатный по свойствам приблизительно аналогичен фтор-боратном однако требует большей плотности тока. При этом выход по току несколько снижается.

Пирофосфатные электролиты позволяют получить наиболее высокое качество меди. При плотности тока / = 1,0-И,5 А/дм² вы­ход по току - 100%. Аммиак ускоряет растворение анодов и спо­собствует образованию мелкокристаллического осадка. Лимонная кислота адсорбируется на выступах микрорельефа катода и пре­пятствует росту губчатых дендритов. Скорость осаждения меди из пирофосфатного электролита ~ 13 мкм/ч.

Типичные дефекты химически осажденных пленок меди:

1) низкая прочность сцепления осажденной меди с фольгой вследствие плохого качества очистки фольги и нарушения режимов гальванического процесса;

2) наличие крупнозернистых шероховатых участков на поверх­ности покрытия вследствие присутствия органических ве­ществ в электролите, адсорбирующихся поверхностью;

3) неравномерность по толщине слоя осажденной меди вслед­ствие малой рассеивающей способности электролита;

4) наличие проколов в слое в отверстиях вследствие низкого качества химического меднения.

Для защиты поверхности токопроводящих участков при трав­лении меди с пробельных мест, а также для обеспечения условий пайки выводов ЭРЭ печатный монтаж покрывают металлорезистом Sn-Pb (15-20 мкм). Метадлорезист, содержащий Sn 50-65% и РЬ 50-35%, осаждается в фтор боратном электролите. Для полу­чения покрытия Sn-Pb, соответствующего сплаву ПОС-61 (темпе­ратура плавления сплава должна быть 210°С, чтобы не повредить плату), необходимо поддерживать в электролите отношение Sn: РЬ = (2,0-ь2,5): 1. На поверхности металлорезиста Sn-Pb не должно быть сульфатов и окислов. Для их удаления применяют осветление в растворе, содержащем НС1 (17 г/л), SnCl₂ (20 г/щ, тиомочевину (до 1 г/л). После осаждения металлорезист оплавляю!

При производстве печатных плат с печатными разъемами (ламе­лями) в качестве материала покрытия ламелей применяют палладии Если плата не была покрыта серебром перед палладированием, не обходимо гальванически нанести подслой никеля (3-6 мкм) дли лучшего сцепления палладия с основанием. Эта операция осуществляется в обычном сернокислом электролите. Палладирование про водится в аммиакатных электролитах. Толщина покрытий из шиит дня составляет 1-2 мкм. Такие покрытия обладают высокой твердо стью и износостойкостью, не тускнеют на воздухе до 400°С.

Травление меди. Эта операция служит для удаления меди с про бельных мест и получения элементов печатного монтажа. Техно логический процесс травления меди на печатных платах состоит из следующих операций: щелочное обезжиривание поверхности, декапирование в 20% растворе соляной кислоты; травление меди в соответствующих растворах; нейтрализация после травления; сушка обдувом воздуха.

После каждой операции следует процесс промывки водой. Про водники из меди перед травлением могут быть защищены фоторе­зистом или металлорезистом Ag; Au; Sn-Pb; Sn-Ni.

Для травления меди в производстве печатных плат применяют сле­дующие растворы - на основе хлорного железа FeCl₃, хлорной меди

СиС1₂, персульфата аммония (NH₄)₇S₂0₈, хромовосерной кислоты.

Растворы на основе FeCI₃ и СиС1₂ нс применяются в случае использования металлорсзиста Sn-Pb.

Растворы на основе CuCl, более перспективные, так как имеют следующие преимущества: предел насыщения раствора ионами Си²⁺ примерно в 3 раза выше, чем у FeCl₃ (150-180 г/л для СиС1₂ и 50-60 г/л для FeCl₃); высокая и постоянная скорость травления меди; легкость отмывки плат после травления (после обработки в FeCl₃ образуются нерастворимые соединения типа

FcO • Fc(0H)₇, что требует дополнительного декапирования, а осад­ки гидроокиси меди снимаются промывкой в щелочи).

Для травления фольги на платах, покрытых оловянно-свинцовым припоем, могут применяться растворы хромовосерной кислоты. Широко применяется в этом случае травление меди персульфатом аммония. Эти растворы создают на поверхности ПОС нераствори- • н.и и ненки сульфида свинца, предотвращающие растворение сплава.

Требования к процессу травления меди с печатных плат обеспечение равномерного травления и минимального бокового подтрава элементов печатного монтажа. Выполнение этих требований обеспечивается выбором правильного раствора и метода изготовления. Так, травление меди в растворах на основе хлорного железо хлорной меди сопровождается боковым подтравом, величина которого в два раза меньше, чем при травлении в растворе на основе сульфата аммония. Для обеспечения равномерности травления ш ей поверхности печатной платы применяют струйный метод трав- |ц мня, при котором платы, расположенные на конвейере, равномерно перемещаются под струями травитсля, причем расположение сопел, формирующих струи, обеспечивает попадание одинакового количества на свежего травится на каждый элементарный участок платы.

Сверление монтажных отверстий. От качества выполнения ной операции зависит плотность и электрическая прочность пе­чатного монтажа. К просверленным отверстиям предъявляются следующие требования:

¾ стенки отверстий должны быть гладкими без заусенцев, смя­тия и расслаивания диэлектрика;

¾ оси отверстий должны быть перпендикулярны поверхности платы;

¾ отверстия должны быть строго цилиндрическими;

¾ нс допускается наличия в отверстиях следов инструмента, смазки;

¾ отверстия не должны выходить за пределы контактных пло­щадок.

Эти требования обеспечиваются выбором соответствующих ин­струмента, оборудования, режимов обработки.

Сверление отверстий в печатных платах осуществляют спи­ральными твердосплавными сверлами, выполненными с высокой точностью. Процесс проводят без применения СОЖ во избежание загрязнения диэлектрика. Стойкость сверл - 2000-5000 отверстий. Для сверления платы собирают в пакет и фиксируют по базовым отверстиям. Толщина пакета не должна превышать 4 мм. Под нижнюю плату пакета помещают подкладку из гетинакса или орг­стекла толщиной 1,5 мм, предотвращающую образование заусен­цев при выходе сверла из пакета и поломку сверл. В качестве обо­рудования наиболее перспективно применение многошпиндельных сверлильных станков с программным управлением. Они должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- размер поля обработки - 250-300 мм;

- точность позиционирования инструмента - нс менее чем ±0,05 мм;

- плавная регулировка частоты вращения шпинделей (от 5000 до 70 000 об./мин) и подачи (от 0,02 до 0,5 об./мин);

- наличие пневматического устройства для удаления стружки.

Вследствие некачественного сверления на платах возникаю!

следующие дефекты:

1) наличие неметаллизированных участков в отверстиях вслед­ствие неровностей стенок отверстия, в которых скапливаются пузырьки воздуха, препятствующие осаждению меди на этих участках; наличие загрязнений участков отверстий, которые в дальнейшем удаляются вместе с осажденной на них медью;

2) уменьшение диаметра отверстий вследствие наличия заусен­цев, на которые осаждается избыточное количество меди;

3) отслаивание проводников и контактных площадок вследст­вие снятия диэлектрика при высокой плотности отверстий. Смятый диэлектрик при металлизации впитывает химиче­ские реактивы и воду, которые могут подтравливать внут­ренний слой фольги. Насыщение диэлектрика ионами при­месей снижает его сопротивление и приводит к образованию коротких замыканий между соседними отверстиями;

4) смещение отверстий вследствие изгиба сверла, неправиль­ной его заточки, высокой скорости подачи, сверления слиш­ком толстого пакета плат, люфтов в патроне, шпинделе. При смещении отверстий возможен их выход за пределы кон­тактных площадок на одной из сторон платы.

В табл. 2.7 приведены все основные операции технологических процессов изготовления двусторонних печатных плат различными методами. Операции даны в технологической последовательности.