Раздел 2 Технология производства изделий транспортного электрооборудования
Тема: Технология производства печатных плат
Печатная плата представляет собой плоское изоляционное основание, на одной или обеих сторонах которого расположены токопроводящие полоски металла (проводники) в соответствии с электрической схемой.
Печатные платы служат для монтажа на них электрорадиоэлементов (ЭРЭ) с помощью полуавтоматических и автоматических установок с последующей одновременной пайкой всех ЭРЭ погружением в расплавленный припой или на волне жидкого припоя ПОС-60. Отверстия на плате, в которые вставляются выводы электрорадиоэлементов при монтаже, называют монтажными. Металлизированные отверстия, служащие для соединения проводников, расположенных на обеих сторонах платы, называют переходными.
Применение печатных плат позволяет облегчить настройку аппаратуры и исключить возможность ошибок при ее монтаже, так как расположение проводников и монтажных отверстий одинаково на всех платах данной схемы. Использование печатных плат, обусловливает также возможность уменьшения габаритных размеров аппаратуры, улучшения условий отвода тепла, снижения металлоемкости аппаратуры и обеспечивает другие конструктивно-технологические преимущества по сравнению с объемным монтажом.
К печатным платам предъявляется ряд требований по точности расположения проводящего рисунка, по величине сопротивления изоляции диэлектрика, механической прочности и др. (ГОСТ 23752-79). Одним из основных требований является обеспечение, способности к пайке, достигаемое соответствующим выбором гальванического покрытия и технологией металлизации, поэтому в производстве печатных плат особое внимание уделяется химико-гальваническим процессам.
Изготовление печатных плат (ГОСТ 20406-75) осуществляется химическим, электрохимическим или комбинированным способом. В последнее время получили распространение новые способы изготовления — аддитивные. Ниже дана краткая характеристика каждого из способов.
2. Исходным материалом при химическом способе служит фольгированный диэлектрик, т. е. изоляционный материал, обычно гетинакс, на поверхность которого с одной или двух сторон наклеена медная фольга толщиной 35-50 мкм. На поверхность медной фольги вначале износится защитный рисунок (рельеф) таким образом, чтобы он защитил проводники при вытравливании меди. Защитный рисунок схемы выполняется стойкими к воздействию травильных растворов материалами. Затем следует операция травления, в результате которой полностью вытравливается медь и создается проводящий рисунок. Отверстия для установки выводов электрорадиоэлементов (резисторы, конденсаторы и т. д.) сверлятся или штампуются после вытравливания меди и не металлизируются. Пайка выводов электрорадиоэлемеитов производится непосредственно к контактным площадкам печатных проводников, как показано на рисунке?, где 1 — проволочный вывод; 2 — диэлектрик; 3 — припой; 4 — контактная площадка. Химический метод применяется главным образом в производстве плат широковещательной радиоаппаратуры.
Электрохимический способ в зарубежной литературе и частично в отечественной практике называют полуаддитивным от латинского слова “additio” (сложение), так как проводящий рисунок создается в результате электрохимического осаждения металла, а не вытравливания. Приставка “полу” означает, что в технологии изготовления сохранена операция травления тонкого слоя металла, который образуется по всей поверхности платы при химической металлизации.
Исходными материалами в этом случае служат нефольгированные диэлектрики. Защитный рисунок в отличие от предыдущего метода наносят таким образом, чтобы открытыми оставались те участки поверхности, которые подлежат металлизации с целью образования проводниковых элементов схемы. Электрохимический способ предусматривает получение металлизированных отверстий одновременно с проводниками и контактными площадками.
Комбинированный способ представляет собой сочетание первых двух способов. Исходным материалом служит фольгированный с двух сторон диэлектрик, поэтому проводящий рисунок получают вытравливанием меди, а металлизация отверстий осуществляется посредством химического меднения с последующим электрохимическим наращиванием слоя меди. Пайка выводов электрорадиоэлементов производится посредством заполнения припоем монтажных отверстий в плате. На рисунке? показана структура платы, изготовленной комбинированным методом, где 1 — диэлектрик; 2 — медная фольга; 3 — металлический слой.
Комбинированный метод в настоящее время является основным в производстве двусторонних и многослойных печатных плат для аппаратуры самого разнообразного назначения.
Аддитивный метод заключается в создании проводящего рисунка посредством металлизации достаточно толстым слоем химической меди (25-35 мкм), что позволяет исключить применение гальванических операций и операции травления. Исходным материалом при этом служит нефольгированный диэлектрик. Исключение вышеуказанных операций позволяет существенно уменьшить ширину проводников и зазоры между ними, что, в свою очередь, обеспечивает возможность увеличить плотность монтажа на платах.
2 Химический способ изготовления плат
Последовательность основных технологических операций представлена в таблице 1
Таблица 1
| № операции | Операция | № операции | Операция |
| А. Негативный способ | Б. Позитивный способ | ||
| Резка и рихтовка заготовок | Резка и рихтовка заготовок | ||
| Зачистка поверхности | Зачистка поверхности | ||
| Получение защитного рельефа на проводниках | Получение защитного рельефа на пробельных участках | ||
| Травление меди | Нанесение гальванического покрытия на проводники | ||
| Удаление защитного рельефа | Удаление защитного рельефа | ||
| Сверление или штамповка отверстий | Травление меди | ||
| Обработка контура | Сверление или штамповка отверстий | ||
| Маркировка | Обработка контура | ||
| Нанесение защитной маски | Маркировка | ||
| Консервация | Консервация |
Вариант А назван негативным потому, что для получения защитного рельефа методом фотопечати в качестве фотошаблона используется негативное изображение проводящего рисунка платы, т. е. пробельные места черные, а проводники — оптически прозрачные. Таким образом, проходящий через светлые участки поток ультрафиолетовых лучей при экспонировании полимеризует фоторезист, нанесенный на поверхность заготовки, образуя защитный рельеф.
В варианте Б защита проводящего рисунка при травлении осуществляется металлическим покрытием, поэтому защитный рельеф наносится на пробельные места и, следовательно, при фотопечати используется позитивное изображение платы.
Вариант А наиболее распространен в производстве плат бытовой радиоаппаратуры, он характеризуется минимальной трудоемкостью и возможностью автоматизации всех операций. В качестве метода получения защитного рельефа при этом используется наиболее дешевый в массовом производстве способ трафаретной печати — сеткография — с применением краски, полимеризующейся с помощью ультрафиолетового облучения. Для выполнения основных операций технологического процесса создана автоматическая линия модульного типа, в которой предусмотрены следующие операции: трафаретная печать, сушка краски, травление, промывка, удаление краски и сушка готовой платы. Химико-механическая подготовка поверхности фольги может производиться также на автоматической линии ГГМ 1.240.006. Защитная маска из эпоксидной смолы наносится на поверхность платы таким образом, чтобы открытыми были только контактные площадки проводников, которые обслуживаются припоем ПОС-60 при выполнении монтажных операций. Проводники, защищенные эпоксидным покрытием, облуживанию не подвергаются и этим достигается значительная экономия оловянного сплава. Эпоксидная защитная масса наносится также способом трафаретной печати. Пробивка отверстий обычно производится штамповкой с помощью кривошипных прессов. Защитная маска на контактных площадках служит затем флюсом при пайке на волне припоя.
Главным преимуществом данного метода является исключение из технологии операции нанесения маски из эпоксидной смолы, представляющей большую профессиональную вредность.
Вариант Б применяется весьма редко и ограничивается обычно изготовлением полосковых плат. В качестве гальванического покрытия при этом служит серебро с толщиной слоя 9—12 мкм. Платы с односторонним или двусторонним расположением проводников без металлизации отверстий могут быть изготовлены способами штамповки, переноса а также нанесения токопроводящих красок (паст). Способ штамповки рекомендован для массового производства, при этом в качестве основания служит любой диэлектрик, в том числе и картон. Медная фольга толщиной 35 мкм, смотанная в рулон, с одной стороны покрыта адгезионным слоем. Этим слоем фольга накладывается на диэлектрик, при штамповке вырубка проводников комбинируется с их прижимом к диэлектрику. Ненужная часть фольги удаляется. Затем платы подвергаются нагреву в прессованном состоянии для полимеризации адгезионного слоя с целью получения прочного сцепления проводников с основанием. Метод эффективен для плат массового производства с относительно простой схемой проводников. Операция травления не применяется, поэтому медь расходуется по прямому назначению, а отходы меди используются для переплавки. Данный способ — самый дешевый по расходу материалов и наименее трудоемкий.
Способ переноса заключается в получении проводящего рисунка на временном металлическом основании и затем переноса его на диэлектрик.
В качестве временного основания служит пластина из коррозионно-стойкой стали типа 18ХН9Т. На пластине получают защитный рисунок, как и при позитивном процессе, т. е. пробельные места закрыты фоторезистом или краской. Затем пластину подвергают гальваническому меднению в кислых электролитах и на ней образуется проводящий рисунок из меди толщиной 35—50 мкм. Фоторезист или краска удаляется, а пластина с проводящим рисунком прижимается к диэлектрику (гетинаксу), на поверхность которого нанесен клеевой слой. Проводящий рисунок легко отделяется от поверхности коррозионно-стойкой стали и приклеивается к диэлектрику вследствие очень слабого сцепления электроосажденной меди с коррозионно-стойкой сталью. Как и в предыдущем случае, платы подвергаются нагреву в прессованном состоянии для полимеризации клеевого соединения. Метод переноса целесообразен в условиях опытного и мелкосерийного производства при отсутствии очистных сооружений и условий для утилизации меди из травильных отходов. Технологический процесс представляет собой пример безотходной технологии.
Способ получения проводящего рисунка с помощью электропроводных красок или паст еще не получил широкого применения в промышленности из-за отсутствия соответствующих материалов необходимого качества, однако он является весьма перспективным и экономичным для получения плат широковещательной аппаратуры.
3 Электрохимический способ изготовления плат
Этот способ осуществляется посредством следующих основных операций: резки заготовок, сверления отверстий, подлежащих металлизации; подготовки поверхности; химического меднения; усиления меди гальваническим меднением; нанесения защитного рельефа на пробельные места; гальванического меднения; гальванического покрытия сплавом олово—свинец; удаления защитного рельефа; травления меди с пробельных мест.
Исходным материалом служит нефольгированный стеклотекстолит марок СТЭФ-1-2ЛК (ТУ АУЭО.037.0ОО) или СТЭК-1,5 (ТУ 16-503.201—80). На обе стороны этих материалов нанесен адгезионный слой из эпоксидно-каучуковой композиции.
Подготовка поверхности диэлектрика заключается в ее химической обработке смесью хромовой и серной кислот, в результате которой на поверхности образуются микровпадины, обеспечивающие хорошую адгезию металлизированного слоя и хорошую смачиваемость водными растворами. Операция травления в данном процессе характеризуется очень малой продолжительностью (до 1 мнн), так как вытравливанию подлежит весьма тонкий слой химически осажденной и усиленной гальванически до толщины 5-7 мкм меди. Таким образом, технологический процесс изготовления печатных плат электрохимическим (полуаддитивным) способом освобождает от необходимости применять фольгированные медью диэлектрики и обеспечивает повышенную плотность монтажа на платах, что обусловливает возможность в ряде случаев заменить сложные в производстве многослойные печатные платы на двусторонние. Ниже приведены характеристики отдельных операций и условия их выполнения.
Заготовки из стеклотекстолита режутся с учетом технологических полей на одноножевых или многоножевых ножницах. На технологическом поле сверлятся фиксирующие отверстия. Подготовка поверхности производится следующим, образом. Обезжиренную поверхность диэлектрика подвергают химической обработке.
Удаление остатков хромовых соединений с поверхности заготовки производится в следующей последовательности: промывка в воде, нейтрализация в растворе NaОН (5—10 %), повторная промывка, нейтрализация в растворе НСl (5О—100 г/л), еще одна промывка в воде. Сверление отверстий, подлежащих металлизации, осуществляют с помощью твердосплавных сверл. Операции химического меднения предшествует обезжиривание в щелочных растворах с добавками ПАВ, а затем активация в совмещенном растворе и химическое меднение. Рекомендуется заготовки плат перед активацией промывать в растворе соляной кислоты (50 г/л) во избежание разбавления раствора-активатора водой.
Последующие операции технологического процесса: нанесение защитного рельефа, гальваническое меднение, гальваническое покрытие сплавом олово-свинец, удаление защитного рельефа и травление меди с пробельных мест.
Весьма перспективно применение электрохимического способ в производстве металлических плат, обеспечивающих повышенную теплопроводность. Структура такой платы представлена на рисунке?, где 1 — металлическое основание; 2 - изоляционный слой; 3 — металлический слой.
С целью обеспечения необходимой прочности сцепления проводников с основанием предусмотрено создание микрошероховатости поверхности посредством травления в сернохромовой смеси. Эта операция вызывает серьезные затруднения в производстве, связанные с токсичностью хромовых соединений и необходимостью принятия мер по обезвреживанию отходов. Большой интерес представляет безотходная технология подготовки поверхности с помощью, например, коронного разряда. В настоящее время ведутся экспериментальные работы в этом направлении.
Технологический процесс электрохимической металлизации заготовок при использовании различных пленочных материалов состоит из операций: очистки (обычная), сушки, обработки коронным разрядом активации, обработки в растворе “ускорителя”, химического меднения и гальванического меднения.
Шероховатость поверхности можно создать также гидроабразивной обдувкой, направляя абразивно-водяную пульпу под давлением 0,5-0,6 МПа.
4 Комбинированный способ изготовления плат
В зависимости от метода защиты проводящего рисунка при вытравливании меди комбинированный способ может осуществляться в двух вариантах: негативном, когда защитой от вытравливания служат краска или фоторезист, и позитивном, когда защитным слоем служит металлическое покрытие (металлорезист). Названия эти способы получили от фотошаблона, применяемого при создании защитного рельефа: в первом случае при экспонировании рисунка используется негатив печатной схемы, во втором — позитив. Комбинированный метод изготовления печатных плат применяется рядом предприятий с мелкосерийным производством
Таблица 2
| № операции | Операция | № операции | Операция |
| А. Негативный способ | Б. Позитивный способ | ||
| Резка заготовок и химико-механическая подготовка поверхности | Резка заготовок и химико-механическая подготовка поверхности | ||
| Получение защитного рисунка с негатива | Получение защитного рисунка с позитива | ||
| Травление меди | Нанесение защитной лаковой пленки | ||
| Удаление защитного рисунка | Сверление и зенкование отверстий | ||
| Нанесение защитной лаковой пленки | Химическое меднение | ||
| Сверление и зенкование отверстий | Удаление лаковой пленки | ||
| Химическое меднение | Гальваническое меднение | ||
| Удаление лаковой пленки | Гальваническое покрытие сплавом олово-свинец | ||
| Гальваническое меднение в два приема с помощью рамочных приспособлений | Удаление защитного рисунка | ||
| Покрытие сплавом Розе | Травление |
Негативный комбинированный способ имеет следующие недостатки:
1. При сверлении отверстий на выходе сверла образуются заусенцы и создаются усилия, направленные на отрыв контактной площадки. Для сохранения контактной площадки в конструкции платы предусматривается увеличение диаметра контактной площадки (ширины пояска) на 0,6—0,8 мм. Это требование приводит к снижению плотности монтажа.
2. В результате вытравливания меди в начале процесса диэлектрик остается обнаженным для воздействия агрессивных гальванических растворов и активных флюсов (HCl) при покрытии сплавом Розе. По этой причине сопротивление изоляции готовых плат на порядок ниже, чем при позитивном процессе.
3. В связи с тем, что гальваническая металлизация осуществляется в приспособлениях, закрывающих отверстия с одной стороны, толщина слоя металла в отверстии очень неравномерна; часто имеют место случаи отслаивания металла при перепайке деталей.
4. Процесс предусматривает много ручных операций.
5. Операция покрытия сплавом Розе особенно токсична из-за выделения продуктов, содержащих свинец и кадмий.
Недостатком позитивного комбинированного способа является нестойкость фоторезистов на основе поливинилового спирта при выполнении двукратной гальванической обработки, что создает большие трудности в производстве (зачистка, ретушь и т. п.).
К недостаткам обоих способов можно отнести следующие.
1. Разрыв технологического процесса из-за применения ручной операции лакировки, требующей высокой квалификации маляра.
2. Сверление через лаковую пленку ухудшает стойкость, сверл.
3. Жидкие фоторезисты создают защитный рисунок толщиной не более 12 мкм, тогда как гальваническое осаждение меди и покрытия производится на толщину от 30 до 60 мкм (и более). В результате этого металл нарастает за пределы рисунка проводящего слоя и это “разрастание” приходится срезать скальпелем, что связано с большими затратами труда.
4. Удаление заусенцев после сверления осуществляется зенкованием, что увеличивает трудоемкость сверления.
Негативный способ легче осваивается из-за пониженных требований к стойкости фоторезиста и возможности травления в любых растворах (в том числе FeCl3), позитивный — обеспечивает более высокую плотность монтажа и лучшие диэлектрические свойства плат, он позволяет также осуществлять автоматизацию отдельных операций, например гальванических.
Оба способа характеризуются значительной трудоемкостью, так как в технологических процессах имеется много ручных операций, поэтому они могут использоваться лишь в условиях опытного и мелкосерийного производства. Наиболее перспективным является позитивный способ, осуществляемый по так называемому базовому технологическому процессу, структура которого аналогична вышеизложенному полуаддитивному процессу. К основным операциям процесса можно отнести резку заготовок и сверление отверстии, подлежащих металлизации; подготовительные операции; химическое меднение; утолщение слоя меди до 5-7 мкм гальваническим меднением; нанесение защитного рельефа на пробельные места; гальваническое меднение; гальваническое покрытие сплавом олово-свинец; удаление защитного рельефа; травление; обрезку по контуру, оплавление покрытия олово-свинец; маркировку, консервацию, упаковку.
Процесс обеспечивает получение зазоров между проводниками и ширину проводников до 0,2 мм.
Подготовительные операции перед химическим меднением заготовок плат с просверленными отверстиями могут осуществляться в двух вариантах: 1) механическая зачистка с целью удаления заусенцев и дефектов на поверхности фольги в сочетании с химическими операциями; 2) электролитическое полирование.
Используя комбинированный метод, можно изготавливать платы с повышенной плотностью монтажа. В этом случае исходным материалом служит стеклотекстолит, фольгированный очень тонкой медной фольгой (толщина фольги 5 мкм). Медная фольга защищается от возможных повреждений, при хранении, транспортировании и сверлении отверстий медным или алюминиевым листовым протектором толщиной 50-75 мкм. После сверления отверстий в заготовке и операции химического меднения протектор отделяется от поверхности фольги и укладывается в отдельную тару для последующей сдачи предприятиям цветной металлургии как вторичное сырье. Заготовка подвергается гальванической металлизации (“затяжке”) и другим операциям, приведенным выше.
Технологический процесс изготовления двусторонних печатных плат комбинированным методом из материала типа “Слофадит” обеспечивает повышенную плотность монтажа (класс 3 по ГОСТ 23751—79), что позволяет во многих случаях многослойные платы в 6—8, слоев заменить на двусторонние.
Широкое применение микросборок, интегральных схем и изделий современной полупроводниковой техники привело к тому, что при монтаже их на печатные платы резко возросла коммутация между ними и появилась необходимость размещения проводников в различных изолированных друг от друга слоях многослойной платы. Многослойные соединения осуществляются через металлизированные сквозные отверстия, поэтому и метод изготовления МПП получил название “метод сквозной металлизации”.
Структура многослойной платы представлена на рисунке?, 1 — металлический слой; 2 — тонкий диэлектрик слоя МПП; 3—изоляционная прокладка из стеклоткани; 4 — контактная площадка в слое МПП. Технологический процесс изготовления МПП состоит из трех основных этапов: 1) подготовки отдельных слоев; 2) сборки пакета и прессования; 3) получения проводящего рисунка на наружных слоях.
4.Аддитивный способ изготовления плат
Этот способ предусматривает получение проводящего рисунка из меди толщиной 25-30 мкм, осажденной химическим способом (толстослойное химическое меднение). При этом слой меди должен иметь плотность 8800-8900 кг/м3, чистоту 99,8-99,9 %, электрическое сопротивление не более 0,0188 Ом·мм.
Основные преимущества аддитивного метода следующие: уменьшение количества операций и соответственно производственных площадей и оборудования; равномерность слоя осажденной меди при соотношении толщины платы к диаметру отверстий 10: 1; высокая плотность монтажа, допускающая возможность создания зазоров между проводниками и ширину их до 0,1 мм; снижение расхода материалов вследствие отсутствия травления; возможность использования для химической металлизации солей меди из травильных отходов; возможность полного исправления дефектных плат после стравливания меди и повторной металлизации.
Технологические процессы изготовления печатных плат определяются типом исходного материала и могут быть представлены в трех вариантах:
- из диэлектрика с введением в его состав катализатором процесса химического меднения;
- на материале СТЭФ-1 с покрытием каталитической эмалью;
- из диэлектрика для полуаддитивной технологии.
1. Исходным материалом для плат служит диэлектрик марки СТАМ по ТУ ОЯЩ.503.041—78. Основными операциями технологического процесса являются резка заготовок; сверление отверстий; получение защитного рельефа; подготовка поверхности; химическое меднение, предварительное и толстослойное. Получение защитного рельефа осуществляется с помощью сухого пленочного фоторезиста СПФ-2.
С целью повышения устойчивости рисунка к длительной обработке в щелочных растворах химического меднения плата подвергается термообработке в воздушной среде при температуре 95±5°С в течение 30 мии. Подготовка поверхности заключается в травлении в сернохромовой смеси с последующими промывками и нейтрализацией. Активирование поверхности производится в совмещенном растворе с последующей обработкой в растворе NaOH (20 г/л).
Предварительное химическое меднение производится в тартратном растворе в течение 15-20 мин. Перед толстослойным меднением следует термообработка тонкого слоя химически осажденной меди при 100 °С в течение 1-2 ч. Толстослойное химическое меднение проводится в трилонатном или тартратном растворе.
2. Исходным материалом для плат служит нефольгированный стеклотекстолит СТЭФ-1. Сверленые заготовки из этого материала покрывают из краскораспылителя эпоксидной эмалью с наполнителем, в качестве пигмента служит двуокись титанаTiO2, к которой добавлено 0,04 % солей палладия. Эмаль ЭП-5215 поставляется по ТУ 6-10-11-19-30—79.
Основные операции технологического процесса следующие: резка заготовок; сверление отверстий; нанесение эмали ЭП-5215 на поверхность и в отверстия; травление; получение защитного рисунка; химическое меднение (предварительное и толстослойное).
Травление слоя эмали осуществляют в растворе, содержащем 130 г/л хромового ангидрида и 650 г/л серной кислоты. Температура раствора 70 °С, продолжительность — 10 мин, плотность загрузки — 0,9—1,0 дм2/л.
Предварительное химическое меднение производится в стандартном растворе, минуя активирование, так как катализатор процесса химического меднения находится в слое эмали. Толстослойное химическое меднение и получение защитного рельефа выполняется аналогично предыдущему варианту.
3. Исходным материалом служит диэлектрик СТЭК или СТЭФ-1-2ЛК.
Основными операциями технологического процесса при этом являются резка заготовок; сверление отверстий; подготовка поверхности; активирование; получение защитного рельефа; химическое меднение предварительное и толстослойное.
Существенной особенностью данного технологического процесса является отделение операции активирования от химического меднения, в результате чего химическое восстановление меди происходит на участках, свободных от защитного рисунка, т.е. в отверстиях и на проводниках.
Активирование производится в совмещенном растворе, причем ему предшествует погружение в раствор, содержащий 75—80 г/л NaOH. После промывки в улавливателе следует сушка путем легкого обдуваиия воздухом. Химическое меднение производится в растворах, как и в предыдущих вариантах.
Для обеспечения пайки электрорадиоэлементов платы необходимо подвергнуть покрытию сплавом ПОС-60 горячим способом. Обычно принятая техника лужения в данном случае непригодна, так как слой припоя достигает значительной толщины, что может вызвать образование “мостиков” между проводниками. Покрытие необходимо производить по методике, предусматривающей после погружения плат в расплавленный припой обдувку их горячим воздухом с целью выглаживания слоя припоя и удаления его излишков.
В установках для выполнения этой операции платы, подвергнутые флюсованию, проходят зону подогрева с целью удаления влаги и смягчения термоудара, вызывающих коробление при погружении в расплавленный припой, время выдержки плат в расплавленном припое не должно превышать 4 с. Основная часть установки — воздушные ножи — предназначена для равномерной подачи горячего воздуха по всей длине плат.
Толщина слоя припоя на платах в среднем составляет около 8 мкм.