Технологический процесс изготовления печатной платы

От метода изготовления ПП зависит очень многое. Должна учитываться чистота материалов, они обязаны быть хорошо обработанными, отобраными (особенно для рассматриваемого четвёртого класса точности ПП). Для самолётной техники, пилотирование которой и осуществление перевозок связаны с большими рисками, особенно важна надёжность оборудования, поэтому все технологический операции ТП изготовления ПП должны быть детально разработаны, описаны и выполнены в соответствии с планом. Причём выполнены довольно точно. В данной работе мы выбрали МПП с металлизированными сквозными отверстиями (МСО). Опишем ТП изготовления данной ПП.

Метод металлизации сквозных отверстий (ММСО) применяется для изготовления жёстких, гибких и гибко-жёстких МПП.

ТП изготовления МПП методом МСО включает:

• изготовление отдельных односторонних или двусторонних слоёв с рисунком и металлизированными отверстиями (или без отверстий);

• сборку и прессование пакета, состоящего из отдельных слоёв, склеивающих прокладок между ними, экранов (при необходимости);

• сверление сквозных отверстий в спрессованном пакете;

• получение рисунка наружных слоёв и металлизацию сквозных отверстий.

Электрическая связь между слоями осуществляется при помощи переходных отверстий между внутренними слоями и сквозных отверстий между наружными слоями, металлизированные стенки которых соединены с элементами печатного рисунка внутренних слоёв.

Метод МСО является базовым ТП изготовления МПП, этапы выполнения которого приведены ниже (с 1 по 12 – последовательность изготовления слоёв МПП). Слои будем изготавливать с помощью комбинированного позитивного метода.

Этапы:

1. Входной контроль и термостабилизация диэлектрика.

На данном этапе проводится проверка диэлектрика на наличие дефектов, соответствие требованиям ТЗ, ГОСТ и других документов. Также производится стабилизация температуры по всему объёму диэлектрика.

2. Получение заготовок слоёв.

Для получения заготовок слоёв будем использовать резку, так как слоистые материалы довольно плохо штампуются. При резке применим гильотинные ножницы. Заготовки сделаны из материала СТПА-5-1. Вначале производится резка фольгированного диэлектрика на полосы, причём скорость резания V=2…10 м/мин. Далее происходит нарезка полосы на отдельные заготовки со скоростью резания V=2…10 м/мин. После резки производится контрольная операция – проверка размера заготовок. Приведём также список рабочих приёмов при резании с помощью гильотинных ножниц (см. рис. 13):

• взять лист и установить по упору;

• включить ножницы;

• отрезать базовую сторону;

• продвинуть лист до упора;

• отрезать полосу;

• продвинуть лист до упора;

• отложить отход;

• проверить размер полосы.

Рисунок 13 - Гильотинные ножницы (способ резки листа на полосы)

3. Получение базовых и технологических отверстий.

Для их получения будем использовать метод сверления, так как штамповка менее надёжна для МПП 4-го класса точности.

Сверление базовых и технологических отверстий производят последовательно по кондуктору на настольно-сверлильных станках в пакете из нескольких заготовок, толщина которого не более 11 мм. В качестве инструмента применяются твердосплавные спиральные свёрла различной конструкции. Рабочие приёмы при сверлении отверстий:

• подвести ПП под сверло;

• подвести сверло к ПП;

• сверлить;

• отвести сверло от ПП;

• отвести ПП из-под сверла.

При выборе способа получения заготовок, базовых и технологических отверстий необходимо обратить внимание на класс точности ПП, материал основания ПП и его толщину, применяемое на конкретном производстве оборудование и др. При равных условиях нужно выбрать способ, обеспечивающий наименьшую трудоёмкость и себестоимость.

4. Получение переходных отверстий.

При изготовлении МПП четвёртого класса точности целесообразно применить метод лазерного сверления для получения переходных отверстий.

Сущность лазерного сверления заключается в воздействии излучения на обрабатываемую заготовку ПП, в результате которого происходит испарение или взрывное разрушение материала. Лазерное сверление отверстий в ПП применяется для получения: сквозных отверстий диаметром 40…50 мкм и более в фольгированных и нефольгированных заготовках ПП; глухих отверстий диаметром до 25 мкм, глубиной менее 50 мкм в слоях МПП в одностороннем фольгированном и нефольгированном диэлектрике.

Основные составные части лазерного оборудования:

• лазер твердотельный или газовый;

• оптический канал для юстировки и фокусирования излучения;

• двухкоординатный стол, на котором базируются заготовки;

• система управления;

• система контроля и пр.

Лазерное сверление будем осуществлять с использованием специальной металлической маски с отверстиями, после совмещения которой с заготовкой ПП и воздействия лазерного излучения происходит испарение материала основания ПП в местах расположения отверстий на маске. Достоинством способа является высокая производительность, недостатком – необходимость изготовления металлической маски с высокой точностью расположения и изготовления отверстий малого диаметра. Эскиз этапа приведён на рисунке 14.

Рисунок 14 - Получение переходных отверстий

5. Предварительная металлизация.

Так как проектируемая МПП имеет четвёртый класс точности, то для данного этапа будем использовать химическое меднение 3…5 мкм, используемое при производстве прецизионных плат, какими, безусловно, являются ПП для самолётной техники. Эскиз данного этапа приведён на рисунке 15.

Рисунок 15 - Предварительная металлизация

Требования к процессу химического меднения:

• высокая скорость металлизации (3…4 мкм/ч);

• длительный срок службы раствора (10…12 месяцев);

• стабильность раствора;

• экономичность растворов;

• простота утилизации отработанных растворов;

• минимальное влияние на окружающую среду.

6. Электрохимическая металлизация.

На этом этапе используем гальваническое меднение. Оно применяется для получения основного токопроводящего слоя меди в монтажных и переходных отверстиях, на проводниках и контактных площадках (толщина 25…35 мкм).

Гальваническое осаждение покрытий производитсят в ваннах с электролитом, в которые погружаются заготовки ПП, предварительно закреплённые в ПП.

На рисунке 16 приведён эскиз данного этапа ТП.

Рисунок 16 - Гальваническое меднение

7. Подготовка поверхностных слоёв.

Этот этап осуществляется с целью:

• удаления заусенцев, смолы и механических частиц из отверстий после сверления;

• получения равномерной шероховатости поверхности, т.е. придания ей структуры, обеспечивающей прочное и надёжное сцепление (адгезию) с фоторезистом;

• активирования поверхности перед химическим меднением;

• удаления оксидов, масляных пятен, захватов пальцами, пыли, грязи, мелких царапин и пр.

Используем химический способ для очистки слоёв МПП перед прессованием. Операции химической очистки:

• химическое обезжиривание для удаления загрязнений органического происхождения;

• каскадная промывка в горячей и холодной воде;

• микротравление – для удаления оксидных плёнок, улучшения адгезии и создания микрорельефа;

• обработка в антистатике;

• каскадная промывка;

• сушка.

Наиболее распространённый способ обработки – перманганатная. Её основные этапы:

• сенсибилизация в щелочном растворе при T=65…70 в течение 2…10 мин;

• обработка в регенерируемом растворе перманганата при T=65…70 в течение 8…10 мин, содержащем окислители, который обеспечивает микрошероховатость для лучшей абсорбции катализатора, улучшает адгезию меди к стенкам отверстий;

• нейтрализация при T=20…40 в течение 3…5 мин для усиления матирования стекловолокон и адгезии меди к стеклянной части стенок отверстия.

После каждого этапа осуществляется промывка водопроводной водой.

8. Получение защитного рельефа.

Нанесение защитного рельефа – процесс переноса изображения рисунка печатных проводников на материал основания ПП.

Выберем фотохимический способ нанесения защитного рельефа, так как этот способ имеет высокую разрешающую способность (в том числе используется для четвёртого класса точности ПП), что очень важно при изготовлении МПП для самолётной техники.

Основные этапы фотохимического способа:

• на поверхность заготовки ПП наносится фоторезист – фотополимерный материал, чувствительный к УФ-излучению;

• устанавливается ФШ, реперные знаки (перекрестия) которого совмещаются под микроскопом с центрами фиксирующих (базовых) отверстий заготовки ПП;

• производится экспонирование рисунка схемы через ФШ, в результате которого образуется скрытое изображение;

• проявление изображения и задубливание рисунка, т.е. получшение защитного рельефа (защитной фотомаски).

Эскиз данного этапа ТП представлен на рисунке 17.

Рисунок 17 - Получение защитного рельефа

9. Травление меди с пробельных мест.

Травление в производстве ПП – процесс химического разрушения металла (в основном меди) в результате действия жидких или газообразных травителей на участки поверхности заготовки, незащищённые защитной маской (травильным резистом). Травление представляет собой сложный окислительно-восстановительный процесс, который применяют для формирования проводящего рисунка ПП путём удаления меди с незащищённых травильным резистом участков.

Основные этапы процесса химического травления:

• подготовка поверхности для удаления остатков недопроявленного фоторезиста, жировых пятен, оксидных слоёв для обеспечения равномерности травления меди;

• химическое травление, в котором главную роль играет травильный раствор;

• промывка;

• осветление поверхности металлорезиста (при необходимости) в растворах на основе кислот или тиомочевины;

• удаление защитного слоя фоторезиста, трафаретной краски или металлорезиста.

В качестве травителя используем хлорид натрия в связи с высокой скоростью травления, незначительным боковым подтравливанием, возможностью применения практически всех травильных резистов.

Эскиз этапа травления показан на рисунке 18.

Рисунок 18 - Травление меди с пробельных мест

10. Удаление защитного рельефа.

Защитный рельеф удаляется при помощи распыления хлористого метилена под давлением 0,3…0,4 МПа, после чего производится промывка водой. Эскиз этапа представлен на рисунке 19.

Рисунок 19 - Удаление защитного рельефа

11. Подготовка поверхности слоёв.

Подготовку поверхности слоёв будем осуществлять методом подтравливания.

12. Сушка.

В качестве метода выберем термическую сушку, которая будет осуществляться в сушильных печах в течение 20-40 минут при температуре 60-80

13. Прессование слоёв.

Прессование МПП – процесс соединения отдельных сигнальных слоёв, экранных слоёв, слоёв земли и питания в монолитную конструкцию при помощи склеивающих прокладок (препрегов). Для повышения надёжности и качества МПП будем использовать прессование с вакуумированием, основные этапы которого представлены ниже:

• контроль текучести смолы; текучесть смолы должна находиться в пределах 20…35%;

• сборка пакета;

• прессование совмещённое, т.е. нагрев и охлаждение пресс-формы происходит на одном прессе;

• вакуумирование – проводится для удаления летучих веществ и конденсированной воды, чтобы исключить образование напряжения, коробления и увеличить электрические характеристики;

• разогрев плит пресса и пресс-формы с пакетом до T=160…170 ;

• приложение первой ступени давления P=0,1…0,5 МПа в течение 10…30 мин;

• контроль величины сопротивления изоляции и момента начала гелеобразования смолы;

• приложение второй ступени давления P=2,0…3,0 МПа в течение 50…79 мин;

• охлаждение пресс формы вместе с плитами пресса до температуры T=30…40

• обрезка облоя на роликовых ножницах;

• испытание на термостойкость термоударами в кремнийорганической жидкости при температуре T=(260 в течение 10 с.

Эскиз данной операции представлен на рисунке 20.

Рисунок 20 - Прессование слоёв

14. Сверление и подготовка сквозных отверстий.

Используем гидроабразивную обработку и подтравливание диэлектрика в отверстиях. Сверление производится на сверлильных станках. Цилиндрические отверстия должны обладать гладкими стенками, без заусенцев, предельное отклонение центров отверстий относительно узлов координатной сетки должно составлять около 0,015 мм, должна отсутствовать деструкция диэлектрика в отверстиях и размазывание смолы по стенкам отверстий, причём точность сверления отверстий: 0,08 мм. На рисунке 21 приведён эскиз этапа.

Рисунок 21 - Сверление и подготовка сквозных отверстий

15. Предварительная металлизация.

Всё то же, что в п. 5.

16. Подготовка поверхности.

Для этого этапа будем применять подтравливание.

17. Получение защитного рельефа.

Используем вариант щелочепроявляемого СПФ фотохимического метода.

Технология водо-щелочного проявления фоторезистов позволила исключить из производства экологически вредные хлорированные углеводороды метилхлороформ и хлористый метилен. Обработка фоторезистов производится в слабых (1…5)%-ных растворах среды и щёлочи, которые используются после обработки на очистных сооружениях в качестве реагентов для нейтрализации гальваностоков.

Сухие плёночные фоторезисты водо-щелочного проявления очень чувствительны к перепровялению, при котором происходит дополнительное химическое воздействие раствора проявления, приводящее к частичному разрушению фоторезиста. Поэтому для операции проявления устанавливаются ограничения по времени.

См. рисунок 17.

18. Электрохимическая металлизация.

См. пункт 6.

19. Удаление защитного рельефа.

См. пункт 10.

20. Травление меди с пробельных мест с удалением травильного резиста.

Применим травление с удалением металлорезиста (т.к. именно он использовался на предыдущих шагах). Подробности см. в п. 9.

См. рисунок 18.

21. Нанесение паяльной маски.

Паяльная маска предназначена для защиты всей поверхности ПП кроме контактных площадок от воздействия расплавленного припоя и флюса при групповых процессах пайки ЭРИ и ПМК и проводников от перегрева. Паяльная маска наносится на всю поверхность ПП за исключением контактных площадок и металлизированных отверстий, которые при групповых процессах пайки ЭРИ будут контактировать с расплавленным припоем. Таким образом, обеспечивается значительная экономия припоя, так как припой во время пайки не осаждается на печатные проводники. Кроме того, паяльная маска защищает стеклоэпоксидную основу ПП, которая не обладает высокой теплостойкостью, при температурах пайки от поверхностной деструкции диэлектрика.

Выберем фотохимический способ, так как он обладает большей точностью. Фотопаяльную маску используем жидкую. Наносимая в жидком состоянии маска лучше, чем сухая плёночная, защищает проводники, особенно при высокой плотности рисунка, однако фотопроявляемые паяльные маски требуют более сложных химических процессов и больших затрат. Эскиз этого этапа представлен на рисунке 22.

Рисунок 22 - Нанесение паяльной маски

22. Нанесение покрытия на участки проводящего рисунка, свободные от маски.

Выберем органическое защитное покрытие ФТОРЕЛ (спреи), которое используется для защиты и герметизации ПП, эксплуатируемых при неблагоприятных климатических условиях и в агрессивных средах. Это прозрачное высококачественное однокомпонентное влагозащитное и электроизолирующее лаковое покрытие, обеспечивающее защиту от воздействия высокой влажности, корродирующих паров, грязи, пыли, повреждения плесневыми грибами и бактериями. Имеет хорошие электрические характеристики: удельное объёмное сопротивление - ; диэлектрическая пооницаемость – 2,5; Прочность изоляции – 20…30 кВ/мм. Температурный диапазон (накрывает нужный нам для второй группы жёсткости) – от -60 до +100 . Эскиз этапа изображён на рисунке 23.

Рисунок 23 - Нанесение покрытия на участки проводящего рисунка

23. Отмывка флюса.

Удаление флюса производится с помощью хлористого метилена.

24. Получение крепёжных отверстий и обработка по контуру.

Операция обработки ПП по контуру является одной из заключительных и необходима для удаления технологического поля и получения заданных размеров ПП. Крепёжные отверстия необходимы для закрепления ячейки в модулях более высокого конструктивного уровня. В качестве метода выберем сверление отверстий на сверлильных станках и фрезерование по контуру. При этом выполняются следующие операции:

• взять заготовку и установить в приспособление (шаблоны) на базовые отверстия;

• установить шаблоны по упору;

• обрезать заготовку с одной стороны;

• снять заготовку с шаблона и отложить;

• проверить размер заготовки.

25. Промывка.

Использовать будем ультразвуковую промывку, т.е. удаление ненужных частичек, пятен и других ненужных отходов происходит при использовании генераторов ультразвука, что помогает высокоэффективно производить промывку.

26. Контроль электрических параметров.

При электрическом контроле ПП проверяется:

• на целостность проводников;

• на наличие коротких замыканий между проводниками;

• на качество изоляции.

Для электрического тестирования применяют различные анализаторы производственных дефектов, в которых контактирование осуществляется следующими способами:

• через односторонний или двусторонний тестовый адаптер «поле подпружиненных контактов»;

• при помощи гибкой пробниковой системы с подвижными пробниками (метод «летающий пробник»);

• с использованием вакуумных, кассетных, пневматических адаптеров;

• большим количесвтом разъёмов.

Как правило используют средства ЭВМ для осуществления контроля электрических параметров.