 |
Технология изготовления печатной платы
|
|
|
|
Структура базовых технологических процессов изготовления двусторонних печатных плат состоит из набора типовых технологических операций, для осуществления которых разработаны различные методы выполнения и технологическое оснащение. Выбор содержания операций определяется требованиями, предъявляемыми к готовым ПП, производительностью оборудования, условиями производства и экономической эффективностью процесса [ ].
Входной контроль материалов на предприятии-изготовителе ПП предназначен для обеспечения гарантированного качества получаемой продукции. При его проведении определяется соответствие физико-механических и эксплуатационных свойств материалов требованиям технических условий. Контролю подвергается каждая партия поступающего диэлектрика, фоторезиста. Качество диэлектрических материалов оценивается визуально или путем проведения специальных испытаний. При визуальном осмотре проверяется отсутствие на поверхности фольги и диэлектрика трещин, царапин, проколов и других видимых дефектов. Электроизоляционные и механические свойства контролируются по стандартным методикам. Особое внимание уделяется технологическим свойствам материалов: штампуемости, короблению, способностью к металлизации и др. Также проверяются и постоянно корректируются электрофизические и химические параметры используемых химических сред на операциях травления, металлизации.
Двусторонние печатные платы (ДПП) изготавливают преимущественно комбинированным позитивным методом. В качестве основания для печатного монтажа используют двусторонний фольгированный стеклотекстолит, на котором формируется проводящий рисунок путем удаления фольги с непроводящих участков. Металлизация монтажных отверстий привела к созданию комбинированных методов изготовления ПП.
|
|
|
Комбинированный позитивный метод состоит из следующих операций:
- получение контура заготовки;
- подготовка поверхности заготовки;
- нанесение позитивного рисунка схемы;
- нанесение защитного слоя лака (эмаль ХСЭ, ХСЛ) для предохранения химически активных растворов при химической металлизации, количество слоев 2-3, нанесение окунанием, поливом или с помощью краскораспылителей, сушка в сушильных печах в течение 20-40 мин при 60-80 °С;
- сверление отверстий в плате;
- химическое меднение отверстий; толщина слоя 1-2 мкм; скорость 20-30 мкм/ч;
- гальваническое меднение до толщины 25-30 мкм, удаление защитного слоя лака;
- нанесение металлического резиста для защиты проводников и отверстий от травления (гальваническое покрытие сплавами олово-свинец) толщиной 20-25 мкм;
- удаление фоторезиста;
- травление пробельных мест;
- оплавление металлического резиста - необходимо для удаления припоя из покрытий и улучшения паяемости покрытия.
Гальванически нанесенный металлический резист сплав олово-свинец имеет пористую структуру, быстро окисляется, теряет способность к пайке. Для устранения этих недостатков проводят оплавление резиста с помощью ИК излучения в жидкости (глицерине) или газе. В результате покрытие приобретает структуру металлургического сплава и при толщине 8-15 мкм приобретает хорошую паяемость;
- контроль платы, маркировка.
При изготовлении заготовок их размеры определяются согласно требованиям чертежа и наличию по всему периметру технологического поля, на котором выполняются фиксирующие отверстия для базирования деталей в процессе изготовления и текстовые элементы. Ширина технологического поля не превышает 10 мм. Получают заготовки различными методами в зависимости от типа производства. В крупносерийном и массовом производстве раскрой листового материала осуществляют штамповкой на кривошипных или эксцентриковых прессах с одновременной пробивкой фиксирующих отверстий. При этом коэффициент использования материала должен быть высоким, а контур не иметь трещин и расслоений. Качество заготовки определяется правильным выбором зазора между пуансоном и матрицей, геометрией рабочих частей штампа, усилием вырубки, а также применением подогрева (60-100 °С), который рекомендуется в тех случаях, когда платы имеют сложный наружный контур с резкими выступами и толщину свыше 2 мм.
|
|
|
В качестве инструмента применяют вырубные штампы, рабочие элементы которых изготовлены из инструментальной легированной стали марок X12M, X12Ф1 или металлокерамического твердого сплава марок ВК-15, ВК-20. Стойкость штампов при вырубке заготовок из стеклотекстолита 1,5-2 тыс. ударов.
Подготовка поверхности заготовки включает очистку исходных материалов от оксидов, жировых пятен, смазки и других загрязнений, специальную обработку диэлектриков, а также контроль качества выполнения операции. В зависимости от характера и степени загрязнений очистку проводят механическими, химическими, электрохимическими, плазменными методами и их сочетанием. Для удаления оксидного слоя с поверхности фольги используют механическую очистку абразивными кругами, крацевальными металлическими щетками, щетками из капрона или нейлона, на которые подается абразивная суспензия.
Для очистки монтажных отверстий от наволакивания смолы и других загрязнений и для увеличения производительности при обработке ПП применяют гидроабразивную обработку или чистку вращающимися щетками из синтетического материала с введенными в его состав абразивными частицами. Образование шероховатой поверхности после механической обработки способствует растеканию флюса и припоя, т.к. риски являются мельчайшими капиллярами.
Химическая обработка заключается в обезжиривании, травлении. Обезжиривание изделия проводят в растворах щелочей или органических растворителей: ацетоне, бензине, четыреххлористом углероде и т.д. путем протирки, погружения, распыления, обработки в паровой фазе или в УЗ ванне. Современное оборудование для очистки имеет блочно-модульную конструкцию с программным управлением. Оно снабжается устройствами для регенерации моющих веществ и сушки изделий. Удаление оксидных пленок осуществляется в растворах кислот и щелочей. Наиболее эффективно удаление оксидной пленки осуществляется в 10 %-ном растворе соляной кислоты.
|
|
|
Высокое качество и производительность обеспечиваются плазменной очисткой ПП, которая устраняет использование токсичных растворителей, кислот и щелочей, а следовательно, и их вредное воздействие на обслуживающий персонал, материалы обработки и окружающую среду. Установка плазмохимической обработки с программным управлением УПХО-П предназначена для удаления диэлектрика с торцов контактных площадок. Карусельный принцип позволяет обрабатывать при одной загрузке до 8 плат размером 400х800, 16 плат размером 500х500 или 64 платы размером 220х170 мм. Плазмообразующий газ, состоящий из кислорода (70 %) и тетрафторметана, подается в камеру со скоростью 600-900 см2 /мин. Давление в камере 20-40 Па, рабочая частота плазмотрона 10-15 МГц, длительность операции очистки пакета 10-16 мин.
Контроль качества подготовки металлических поверхностей ПП проводят по полноте смачивания их водой. Состояние диэлектрических поверхностей проверяют микроскопическими исследованиями, измерением величины шероховатости, проведением пробной металлизации и оценкой прочности сцепления металлического слоя с основанием.
Нанесение рисунка схемы необходимо при осуществлении процессов металлизации и травления. Рисунок должен иметь четкие границы с точным воспроизведением узких линий, быть стойким к травильным растворам, не загрязнять платы и электролиты, легко сниматься после выполнения своих функций.
Перенос рисунка печатного монтажа на фольгированный диэлектрик осуществляется следующими методами: фотографическим, сеткографическим, офсетной печати.
Фотографический метод позволяет получить минимальную ширину проводников и расстояний между ними 0,1-0,15 мм с точностью воспроизведения до 0,01 мм. Этот метод включает нанесение фоторезиста на подготовленную поверхность заготовки, экспонирование через фотошаблон, проявление рисунка, дубление, контроль качества рисунка, ретуширование и удаление фоторезиста.
|
|
|
Фоторезисты разделяются на два типа: негативные и позитивные. Негативные под действием излучения образуют защитные участки рельефа. В результате фотополимеризации и задубливания освещенные участки перестают растворяться и остаются на поверхности подложки. Позитивные передают баз изменений рисунок фотошаблона, при обработке экспонированные участки разрушаются и вымываются. Позитивные фоторезисты имеют более высокую разрешающую способность, чем негативные.
Фоторезист (ФР) может быть жидким и сухим (пленочным). Жидкие ФР значительно дешевле пленочных и для работы с ними требуется несложное оборудование. Прост в нанесении (центрифуга). Но жидкий ФР имеет малый срок хранения. Пленочные ФР значительно упрощают тех. процесс: исключаются процессы сушки, дублирования, ретуширования. Он обеспечивает равномерное нанесение защитных слоев при наличии монтажных отверстий.
При использовании жидких фоторезистов заготовки ПП с нанесенным светочувствительным слоем подвергаются сушке - сначала в стационарных печах в течение 10-15 мин при 50 °С, а затем в конвейерных печах в течение 3-5 мин при 70 °С. Для повышения защитных свойств фоторезиста на основе ПВС после экспонирования и проявления проводят его окрашивание в метилвиолете, термическое дубление при 150 °С в течение 4 - 4,5 ч и химическое дубление в растворе хромового ангидрида. Фоторезист с участков схемы, не подвергшихся экспонированию, удаляется после травления или нанесения металлического резиста в растворе щелочи (для ПВС) или повторной засветкой (для ФП-383). Выполнение перечисленных операций при получении защитного рисунка в массовом производстве проводится на автоматических конвейерных линиях, состоящих из отдельных секций и модулей.
При использовании сухих пленочных фоторезистов технология образования защитного рисунка ПП значительно упрощается и полностью автоматизируется. Наносят СПФ посредством ламинатора, а проявляют его на установках струйного типа. Процесс включает последовательное прохождение секций предварительного проявления в струях раствора, окончательное проявление в струях чистого растворителя, промывку водой и сушку сжатым воздухом. Аналогично действует и установка снятия сухого пленочного фоторезиста [ ].
Защитный рисунок методом сеткографии получают продавливанием краски через сетчатый трафарет вручную или на автоматическом оборудовании, которое состоит из загрузочного устройства, машины для термической рихтовки плат, сеткографического станка, сушильной печи и накопителя готовых изделий. Загрузка ПП в станок происходит посредством ленточного конвейера подъемно-опускаемого типа. Подведенная им заготовка фиксируется в рабочей зоне на штифтах с точностью ±25 мкм и закрепляется с помощью вакуумной системы на расстоянии 1-3 мм от сетчатого трафарета. Синхронно дозирующим устройством краска подается в зону обработки, а ракель автоматически продавливает ее через ячейки трафарета. В системе управления ракелем регулируются угол наклона, скорость движения, величина давления и диапазон хода. Время, затрачиваемое на один цикл печатания, составляет 5-7 с. Закрепление краски на заготовке осуществляется длительной сушкой, а удаление - промывкой в растворителе.
|
|
|
Полученный рисунок ПП контролируется визуально, а также посредством различных оптических приборов, регистрирующих дефекты. Незначительные дефекты (поры, трещины, отслоения) в случае их обнаружения ретушируются лаком, а при невосстанавливаемом браке рисунок на ПП наносят повторно.
В дипломном проекте используется фотографический метод получения позитивного рисунка.
Сверление отверстий в плате производится на специальных одно- и многошпиндельных сверлильных станках с ЧПУ. Оптимальная частота вращения шпинделя составляет 12000-45000 оборот/мин. Скорость резания 25-50 м/мин. Для обработки отверстий используются специальные сверла из металлокерамических твердых сплавов ВК-6М, ВК-8М. Их стойкость при обработке фольгированных стеклотекстолитов составляет 3-7 тыс. отверстий, при наличии лакового покрытия на ПП стойкость инструмента уменьшается в 2-3 раза. Увеличение температуры в зоне обработки при сверлении приводит к наволакиванию размягченной смолы на кромки контактных площадок, препятствующему металлизации отверстий. Для устранения этого недостатка применяются охлаждающие агенты не содержащие смазок (вода, водяной туман); двойное сверление. Однако эти методы малоэффективны в условиях массового производства. Наиболее эффективным средством признана последующая гидроабразивная обработка.
Сенсибилизация и активирование поверхности применяются для придания диэлектрическому материалу способности к металлизации, т.е. формирования на нем каталитически активного слоя. Сенсибилизация - это процесс обработки заготовки платы в растворе двухлористого олова, в результате которого на поверхности выделяется пленка ионов двухвалентного олова. Последующая обработка в активирующем растворе двухлористого палладия приводит к окислению олова и восстановлению ионов палладия, который является катализатором химической реакции восстановления меди.
Xимическое меднение - это первый этап металлизации поверхностей заготовок ПП и стенок монтажных отверстий. Процесс основан на восстановлении ионов двухвалентной меди из ее комплексных солей с помощью восстановителя (формалина) в присутствии катализатора. Слой химически осажденной меди обычно имеет толщину 0,2-0,5 мкм, рыхлую структуру и легко окисляется на воздухе.
Основными проблемами химической металлизации являются низкая производительность, сложность процесса, использование дорогостоящих материалов. Для устранения этих недостатков разработан процесс термохимической металлизации при температуре 100-150 °С. В результате разложения комплексной соли гипофосфита меди, которым покрыта плата, на всей ее поверхности в течение 10-12 мин образуется электропроводящее покрытие из меди.
Гальваническая металлизация при производстве ПП применяется для усиления слоя химической меди, нанесения металлического резиста, создания на концевых печатных контактах специальных покрытий из палладия, золота, серебра, родия и сплавов на их основе. Электролитическое меднение проводят сразу после химического в сернокислых, пирофосфатных или борфтористоводородных электролитах. Режим электрохимической металлизации выбирают таким образом, чтобы при высокой производительности были обеспечены равномерность толщины покрытия и его адгезия.
Равномерность толщины осажденных слоев зависит от следующих факторов: 1) габаритов металлизируемых плат (с их увеличением равномерность снижается, что можно скомпенсировать увеличением расстояния между электродами); 2) диаметров металлизируемых отверстий (отношение диаметра к толщине платы > 1/3); 3) расположения плат в ванне (обычно симметрично и параллельно анодам, при расстоянии между электродами > 150 мм); 4) рассеивающей способности электролитов; 5) оптимальной плотности тока. Адгезия гальванического покрытия зависит от качества подготовки поверхности перед металлизацией и длительности межоперационного перерыва.
Металлизация ПП проводится в ваннах с соответствующим раствором при покачивании плат для удаления водорода и ускорения процесса. В условиях массового производства процесс осуществляется на автооператорных линиях модульного типа (например, АГ-44) с управлением от мини-ЭВМ. Линия образуется системой датчиков (температуры, плотности тока, рН электролита), концентратомера, а также устройствами для регулирования рабочих параметров в заданных пределах и очистки электролита от загрязнений. Совершенствование технологических процессов электрохимической металлизации достигается использованием периодических форм тока и введением в электролитическую ванну ультразвуковых колебаний.
Травление меди - это процесс избирательного ее удаления с непроводящих (пробельных) участков для формирования проводящего рисунка печатного монтажа. Травление проводят в растворах на основе хлорного железа, персульфата аммония, хлорной меди, перекиси водорода, хромового ангидрида, хлорида натрия. Выбор травильного раствора определяется типом применяемого резиста, скоростью травления, величиной бокового подтравливания, возможностью регенерации и экономичностью всех стадий процесса. Величина бокового подтравливания оценивается фактором травления, который представляет собой отношение толщины фольги к величине изменения ширины печатного проводника. Скорость травления меди зависит от состава травителя, концентрации в нем окислителя и условий его доставки в зону обработки, температуры раствора и количества меди, перешедшей в раствор, т. е. емкости травителя.
Наибольшее распространение в производстве ПП получили травильные растворы на основе хлорного железа. Они отличаются высокой и равномерной скоростью травления, низкой величиной бокового подтравливания, высокой четкостью получаемых контуров, незначительным содержанием токсичных веществ, экономичностью.
Основные недостатки этого раствора - непригодность для ПП, покрытых металлорезистами на основе олова, технологические трудности регенерации и утилизации, емкость раствора по меди не превышает 50-60 кг/м3.
Травильные растворы на основе персульфата аммония пригодны для удаления меди с плат, покрытых резистом Sn-Pb, Sn-Bi, дешевле растворов на основе хлорного железа, быстро приготавливаются на рабочем месте, не образуют шлама при травлении, легко поддаются регенерации.
К недостаткам этой группы травителей можно отнести необходимость стабилизации температурного режима, большое боковое подтравливание проводников, резкое снижение скорости травления по мере накопления меди в растворе, склонность к саморазложению, неравномерность травления.
Травильные растворы на основе хлорной меди наиболее перспективны. Они намного (в 27 раз) дешевле раствора хлорного железа, характеризуются стабильными параметрами травления и полезной емкостью 150-160 кг/м3; их можно непрерывно регенерировать путем введения окислителей.
Однако растворы вызывают разрушение оловосодержащих сплавов, т.к. нанесение металлорезиста проводится при изготовлении ПП комбинированным позитивным фотохимическим методом. Он предназначен для защиты рисунка печатного монтажа при травлении, что обеспечивает более высокое качество изделий (чем использование фоторезистов), а также улучшает и сохраняет паяемость контактных поверхностей. В качестве металлорезиста применяют золото, никель, олово и сплавы на их основе. Широкое распространение в промышленности вследствие своей экономичности получили сплавы Sn-Pb, Sn-Bi, Sn-Ni. Их наносят на поверхность заготовок ПП электрохимическим способом [35].
Для сохранения паяемости контактных поверхностей при изготовлении ОПП паяемые покрытия формируют более производительным методом горячего лужения. Нанесение на поверхность печатных проводников защитной маски из фоторезиста или эпоксидной смолы позволяет локализовать металлизацию только на монтажных отверстиях и контактных площадках, сэкономить материал и защитить печатные проводники от окисления во время эксплуатации. Эпоксидную маску наносят методом сеткографии, а фоторезист - методом фотопечати. Под действием травителей металлорезисты на основе олова могут окисляться. Устранение оксидной пленки достигается осветлением покрытия в растворе на основе тиомочевины или оплавлением, Оплавление проводят в жидком теплоносителе (глицерине) или при воздействии инфракрасного излучения.
Обработка заготовок по контуру производится после полного изготовления ПП. Чистовой контур получают штамповкой, обработкой на гильотинных ножницах, на станках с прецизионными алмазными пилами и фрезерованием. Для исключения повреждения рисунка ПП при групповой обработке пакета заготовок между ними прокладывают картон, а пакет помещают между прокладками из листового гетинакса.
В последнее время при чистовой обработке все большее распространение получают контурно-фрезерные многошпиндельные станки с ЧПУ, которые обеспечивают точность размеров +-0,025 мм, позволяют обрабатывать внешние и внутренние контуры за одно крепление, характеризуются высокой производительностью (15OO-2000 плат/ч) и надежностью. Они снабжаются устройствами для автоматической смены фрез, защитными скафандрами для ограждения оператора от шума, пыли и стружки при обработке, бесступенчатым регулированием скорости вращения инструмента в диапазоне 15-60 тыс. об/мин.
Выходной контроль платы предназначен для определения степени ее соответствия требованиям чертежа, технических условий и стандартов. Основными видами выходного контроля являются: контроль внешнего вида, инструментальный контроль геометрических параметров и оценка точности выполнения отдельных элементов, проверка металлизации отверстий, определение целостности токопроводящих цепей и сопротивления изоляции. При изготовлении чаще других возникают такие дефекты, как короткое замыкание между элементами печатного монтажа, разрыв токопроводящих цепей, отслоение элементов печатного монтажа от диэлектрического основания, выход отверстия за пределы контактной площадки, коробление плат и др. Некоторые из этих дефектов определяются визуально.
Геометрические характеристики ПП (толщина, диаметр отверстий, расстояние между центрами, величина коробления, габаритные размеры и смещение отверстий) контролируются с помощью стандартизированных инструментов для измерения линейных размеров. Погрешности формы элементов рисунка ПП определяются с помощью проектора при 10-20-кратном стереоскопическом увеличении (КПП-1) или микроскопов типа МБС.
Для проверки металлизации монтажных отверстий используют разрушающий (на шлифах) или неразрушающий метод. Экспрессную проверку проводят путем измерения омического сопротивления контактного перехода при подаче тока силой 0,1 А. Границей качественного и бракованного соединений является величина 500 мкОм, которая уточняется для каждого типа монтажного перехода. Разработанное программируемое оборудование позволяет измерять сопротивление в диапазоне 40-2000 мкОм с точностью +-1 %. Время контроля одного отверстия составляет 1 с.
Целостность токопроводящих цепей и сопротивление изоляции между проводниками проверяются электрическим методом на автоматических тестерах с ЧПУ. ПП посредством контактного устройства соединяется на входе через коммутатор с блоком опроса, а на выходе - с измерительным устройством. Контактное устройство представляет собой матрицу из иглообразных подпружиненных контактов, расположенных в узлах координатной сетки и прижатых к плате с усилием в 1 Н. В соответствии с записанной на перфоленте информацией на каждую проверяемую цепь подается сигнал величиной 5-12 В. Результат измерения сравнивается с эталонной величиной, хранящейся в памяти микро-ЭВМ, и на основании этого сравнения определяется качество цепи. Снабжение блока опроса высоковольтным источником (150-1500 В) позволяет контролировать электрическую прочность изоляции. Максимальная скорость контроля одной цепи составляет 400 нс.
Испытания ПП позволяют в условиях климатических и механических воздействий оценить их соответствие требованиям ТУ и установить скрытые дефекты.
|
|
|
