Основы разводки печатных плат. Материалы для печатных плат

Что представляет из себя печатная плат а ?

Печатная плат а или плат а , представляет собой пластину или панель состоящее из одного или двух проводящих рисунков, расположенных на поверхности диэлектрического основания, или из системы проводящих рисунков, расположенных в объеме и на поверхности диэлектрического основания, соединенных между собой в соответствии с принципиальной электрической схемой, предназначенное для электрического соединения и механического крепления устанавливаемых на нем изделий электронной техники, квантовой электроники и электротехнических изделий - пассивных и активных электронных компонентов.

Самый простой печатной плат ой является плат а , которая содержит медные проводники на одной из сторон печатной плат ы и связывает элементы проводящего рисунка только на одной из ее поверхностей. Такие плат ы известны как однослойные печатной плат ы или односторонние печатные плат ы (сокращенно - ОПП ).

На сегодняшний день, самые популярные в производстве и наиболее распространенные печатные плат ы , которые содержат два слоя, то есть, содержащие проводящий рисунок с обеих сторон плат ы – двухсторонни (двухслойные) печатные плат ы (сокращённо ДПП ). Для соединения проводников между слоями используются сквозные монтаж ные и переходные металлизированные отверстия. Тем не менее, в зависимости от физической сложности конструкции печатной плат ы , когда разводка проводников на двусторонней плат е становится слишком сложной, на производстве заказ ывается многослойные печатные плат ы (сокращённо МПП ), где проводящий рисунок формируется не только на двух внешних сторонах плат ы , но и во внутренних слоях диэлектрика. В зависимости от сложности, многослойные печатные плат ы могут быть изготовлены из 4,6, ….24 или более слоев.

Для монтаж а электронных компонентов на печатные плат ы , необходима технологическая операция - пайка, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных металлов путём введения между контактами деталей расплавленного металла - припоя, имеющего более низкую температуру плавления, чем материалы соединяемых деталей. Спаиваемые контакты деталей, а также припой и флюс вводятся в соприкосновение и подвергаются нагреву с температурой выше температуры плавления припоя, но ниже температуры плавления спаиваемых деталей. В результате, припой переходит в жидкое состояние и смачивает поверхности деталей. После этого нагрев прекращается, и припой переходит в твёрдую фазу, образуя соединение. Этот процесс можно сделать вручную или с помощью специализированной техники.

Перед пайкой, компоненты размещаются на печатной плат е выводами компонентов в сквозные отверстия плат ы и припаиваются к контактным площадкам и/или металлизированной внутренней поверхности отверстия – т.н. технология монтаж а в отверстия (THT Through Hole Technology - технология монтаж а в отверстия или др. словами - штыревой монтаж или DIP-монтаж ). Так же, все большее распространение, в особенности, в массовом и крупносерийном производстве, получила более прогрессивная технология поверхностного монтаж а - также называемая ТМП (технология монтаж а на поверхность) или SMT (surface mount technology) или SMD-технология (от surface mount device – прибор, монтируемый на поверхность). Основным ее отличием от «традиционной» технологии монтаж а в отверстия является то, что компоненты монтируются и паяются на контактные площадки (англ. land), являющиеся частью проводящего рисунка на поверхности печатной плат ы . В технологии поверхностного монтаж а , как правило, применяются два метода пайки: пайка оплавлением припойной пасты и пайка волной. Основное преимущество метода пайки волной – возможность одновременной пайки компонентов, монтируемых как на поверхность плат ы , так и в отверстия. При этом пайка волной является самым производительным методом пайки при монтаж е в отверстия. Пайка оплавлением основана на применении специального технологического материала – паяльной пасты. Она содержит три основных составляющих: припой, флюс (активаторы) и органические наполнители. Паяльная паста наносится на контактные площадки либо с помощью дозатора, либо через трафарет , затем устанавливаются электронные компоненты выводами на паяльную пасту и далее, процесс оплавления припоя, содержащегося в паяльной пасте, выполняется в специальных печах путем нагрева печатной плат ы с компонентами.

Для избежания и/или предотвращения случайного короткого замыкания проводников из разных цепей в процессе пайки, производители печатных плат применяют защитную паяльную маску (англ. solder mask; она же «зеленка») – слой прочного полимерного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Паяльная маска закрывает проводники и оставляет открытыми контактные площадки и ножевые разъемы. Наиболее распространенные цвета паяльной маски, используемые в печатных плат а х - зеленый, затем красный и синий. Следует иметь в виду, что паяльная маска не защищает плат у от влаги в процессе эксплуатации плат ы и для влагозащиты используются специальные органические покрытия.

В наиболее популярных программах систем автоматизированного проектирования печатных плат и электронных приборов (сокращённо САПР - CAM350, P-CAD, Protel DXP, SPECCTRA, OrCAD, Allegro , Expedition PCB, Genesis), как правило, существуют правила, связанные с паяльной маской. Эти правила определяют расстояние/отступ, которое необходимо соблюсти, между краем паяемой площадки и границей паяльной маски. Эта концепция иллюстрируется на рисунке 2 (а).

Шелкография или маркировка.

Маркировка (англ. Silkscreen, legend) является процессом, в котором производитель наносит информацию о электронных компонентах и которая способствует облегчить процесс сборки, проверки и ремонта. Как правило, маркировка наносится для обозначения контрольных точек, а также положения, ориентации и номинала электронных компонентов. Также она может быть использована для любых целей конструктора печатных плат , например, указать название компании, инструкцию по настройке (это широко используется в старых материнских плат а х персональных компьютеров) и др. Маркировку можно наносить на обе стороны плат ы и ее, как правило, наносят методом сеткографии(шелкография) специальной краской (с термическим или УФ отверждением) белого, желтого или черного цвета. На рисунке 2 (b) показаны обозначение и область расположения компонентов, выполненные маркировкой белого цвета.

Структура слоев в САПР

Как уже отмечалось в начале этой статьи, печатные плат ы могут быть сделаны из нескольких слоев. Когда печатная плат а разработана с помощью САПР, часто можно увидеть в структуре печатной плат ы несколько слоев, которые не соответствуют необходимым слоям с разводкой из проводящего материала (меди). Например, слои с маркировкой и паяльной маской являются непроводящими слоями. Наличие проводящих и непроводящих слоев может привести к путанице, так как производители используют термин слой, когда они имеют в виду только токопроводящие слои. С этого момента, мы будем использовать термин «слои» без «САПР», только когда речь идет о проводящих слоях. Если мы используем термин «слои САПР» мы имеем в виду все виды слоев, то есть проводящие и непроводящие слои.

Структура слоев в САПР:

На рисунке 3. показаны три различных структур слоев. Оранжевый цвет подчеркивает проводящие слои в каждой структуре. Высота структуры или толщина печатной плат ы может варьироваться в зависимости от назначения, однако наиболее часто используется толщина 1,5мм.

Типы корпусов электронных компонентов

Сегодня на рынке присутствует большое разнообразие типов корпусов электронных компонентов. Обычно, для одного пассивного или активного элемента существует несколько типов корпусов. Например, вы можете найти одну и ту же микросхему и в корпусе QFP (от англ. Quad Flat Package - семейство корпусов микросхем, имеющих планарные выводы, расположенные по всем четырём сторонам) и в корпусе LCC (от англ. Leadless Chip Carrier - представляет собой низкопрофильный квадратный керамический корпус с расположенными на его нижней части контактами).

В основном существует 3 больших семейств электронных корпусов:

Контактная площадка печатной плат ы (англ. land)

Контактная площадка печатной плат ы - часть проводящего рисунка печатной плат ы , используемая для электрического подсоединения устанавливаемых изделий электронной техники. Контактная площадка печатной плат ы представляет собой открытые от паяльной маски части медного проводника, куда и припаиваются выводы компонентов. Есть два типа площадок – контактные площадки монтаж ных отверстий для монтаж а в отверстия и планарные площадки для поверхностного монтаж а - SMD площадки. Иногда, SMD площадки с переходным отверстием очень похожи на площадки для монтаж а в отверстия.

На рисунке 4 представлены контактные площадки для 4х разных электронных компонентов. Восемь для IC1 и две для R1 SMD площадки, соответственно, а так же три площадки с отверстиями для Q1 и PW электронных компонентов.

Медные проводники

Медные проводники используется для подключения двух точек на печатной плат е -например, для подключения между двумя SMD площадками (рисунок 5.), или для подключения SMD площадки к площадке монтаж ного отверстия или для соединения двух переходных отверстия.

Проводники могут иметь разную, рассчитанную ширину в зависимости от токов, протекающих через них. Так же, на высоких частотах, необходимо рассчитывать ширину проводников и зазоры между ними, так как сопротивление, емкость и индуктивность системы проводников зависит от их длинны, ширины и их взаимного расположения.

Сквозные металлизированные переходные отверстие печатной плат ы

Когда надо соединить компонент, который находится на верхнем слое печатной плат ы с компонентом, который находится на нижнем слое, применяются сквозные металлизированные переходные отверстия, которые соединяют элементы проводящего рисунка на разных слоях печатной плат ы . Эти отверстия, позволяют току проходить сквозь печатную плат у. На рисунке 6 показаны два проводника, которые начинаются на площадках компонентов на верхнем слое и заканчивается на площадках другого компонента на нижнем слое. Для каждого проводника установлено свое переходное отверстие, проводящее ток из верхнего слоя на нижний слой.

Рисунок 6. Соединение двух микросхем через проводники и переходные металлизированные отверстия на разных сторонах печатной плат ы

На рисунке 7 более детально дано представление о поперечном сечении 4-слойных печатных плат . Здесь цветами обозначены следующие слои:

На модели печатной плат ы , на рисунке 7 показан проводник (красный), который принадлежит к верхнему проводящему слою, и который проходит сквозь плат у с помощью сквозного переходного отверстия, а затем продолжает свой путь по нижнему слою(синий).

Рисунок 7. Проводник из верхнего слоя, проходящий через печатную плат у и продолжающий свой путь на нижнем слое.

«Глухое» металлизированное отверстие печатной плат ы

В HDI (High Density Interconnect - высокая плотность соединений) печатных плат а х, необходимо использовать более чем два слоя, как это показано на рисунке 7. Как правило, в многослойных конструкциях печатной плат ы , на которых устанавливаются много интегральных микросхем, используются отдельные слои для питания и земли (Vcc или GND), и таким образом, наружные сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников. Также бывают случаи, что сигнальные проводники должны переходить от внешнего слоя (сверху или снизу) по наименьшему пути, что бы обеспечить необходимое волновое сопротивление, требования по гальванической развязке и заканчивая требованиями на устойчивость к электростатическому разряду. Для таких видов соединений используются глухие металлизированные отверстие (Blind via - «глухие» или «слепые»). Имеются в виду отверстия, соединяющие наружный слой с одним или несколькими внутренними, что позволяет сделать подключение минимальным по высоте. Глухое отверстие начинается на внешнем слое и заканчивается на внутреннем слое, поэтому оно имеет префикс «глухое».

Чтобы узнать, какое отверстие присутствует на плат е, вы можете поместить печатную плат у над источником света и посмотреть - если вы видите свет, идущий от источника через отверстие, то это переходное отверстие, в противном случае глухое.

Глухие переходные отверстия полезно использовать в конструкции плат ы , когда вы ограничены в размерах и имеете слишком мало места для размещения компонентов и разводки сигнальных проводников. Вы можете разместить электронные компоненты с обеих сторон и максимально увеличить пространство под разводку и другие компоненты. Если переходы сделаны через сквозные отверстие, а не глухие, понадобиться дополнительное пространство для отверстий т.к. отверстие занимает место с обеих сторон. В то же время глухие отверстия могут находиться под корпусом микросхемы – например для разводки больших и сложных BGA компонентов.

На рисунке 8 показаны три отверстия, которые являются частью четырехслойной печатной плат ы . Если смотреть слева направо, то первое мы увидим сквозное отверстие через все слои. Второе отверстие начинается в верхнем слое и заканчивается на втором внутреннем слое - глухое переходное отверстия L1-L2. Наконец, третье отверстие, начинается в нижнем слое и заканчивается в третьем слое, поэтому мы говорим, что это глухое переходное отверстия L3-L4.

Основным недостатком этого типа отверстия, является более высокая цена изготовления печатной плат ы с глухими отверстиями, по сравнению с альтернативными сквозными отверстиями.

Скрытые переходные отверстия

Англ. Buried via - «скрытые», «погребенные», «встроенные». Эти переходные отверстия похожи на глухие, с той разницей, что они начинаются и заканчиваются на внутренних слоях. Если мы посмотрим на рисунок 9 слева направо, мы увидим, что первое отверстие сквозное через все слои. Второе представляет собой глухое переходное отверстия L1-L2, а последнее является, скрытое переходное отверстие L2-L3, которое начинается на втором слое и заканчивается на третьем слое.

Рисунок 9. Сравнение переходного сквозного отверстие, глухого отверстия и скрытого отверстия.

Технология изготовления глухих и скрытых переходных отверстий

Технология изготовления таких отверстий может быть различной, в зависимости от той конструкции, которую заложил разработчик, и в зависимости от возможностей завод а-изготовителя. Мы будем выделять два основных вида:

Отверстие сверлится в двусторонней заготовке ДПП , металлизируется, травиться и затем эта заготовка, по сути готовая двухслойная печатная плат а , прессуется через препрег в составе многослойной заготовки печатной плат ы . Если эта заготовка находиться сверху «пирога» МПП , то мы получаем глухие отверстия, если в середине, то - скрытые переходные отверстия.

1. Отверстие сверлится в спрессованной заготовке МПП , глубина сверления контролируется, что бы точно попасть в площадки внутренних слоев, и затем происходит металлизация отверстия. Таким образом мы получаем только глухие отверстия.

В сложных конструкциях МПП могут применяться комбинации вышеперечисленных видов отверстий – рисунок 10.

Рисунок 10. Пример типовой комбинации видов переходных отверстий.

Заметим, что применение глухих отверстий иногда может привести к удешевлению проекта в целом, за счет экономии на общем количестве слоев, лучшей трассируемости, уменьшения размера печатной плат ы , а также возможности применить компоненты с более мелким шагом. Однако в каждом конкретном случае решение об их применении следует принимать индивидуально и обоснованно. Однако не следует злоупотреблять сложностью и многообразием видов глухих и скрытых отверстий. Опыт показывает, что при выборе между добавлением в проект еще одного вида несквозных отверстий и добавлением еще одной пары слоев правильнее будет добавить пару слоев. В любом случае, конструкция МПП должна быть спроектирована с учетом того, как именно она будет реализована в производстве.

Финишные металлические защитные покрытия

Получение правильных и надежных паяных соединений в электронном оборудовании зависит от многих конструктивных и технологических факторов, включая должный уровень паяемости соединяемых элементов, таких как компоненты и печатные проводники. Для сохранения паяемости печатных плат до монтаж а электронных компонентов, обеспечения плоскостности покрытия и для надежного монтаж а паяных соединений необходимо защищать медную поверхность контактных площадок печатной плат ы от окисления, так называемым финишным металлическим защитным покрытием.

При взгляде на разные печатные плат ы , можно заметить, что контактные площадки почти не когда не имеют цвет меди, зачастую и в основном это серебристые цвета, блестящий золотой или матовый серый. Эти цвета и определяют типы финишных металлических защитных покрытий.

Наиболее распространенным методом защиты паяемых поверхностей печатных плат является покрытие медных контактных площадок слоем серебристого сплава олово-свинеца (ПОС-63) - HASL. Большинство изготавливаемых печатных плат защищены методом HASL. Горячее лужение HASL - процесс горячего облуживания плат ы , методом погружения на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем и при быстрой выемке обдувкой струей горячего воздуха, убирающей излишки припоя и выравнивающей покрытие. Это покрытие доминирует в течение нескольких последних лет, несмотря на его серьезные технические ограничения. Плат ы , выпущенные таким способом, хотя и хорошо сохраняют паяемость в течение всего периода хранения, непригодны для некоторых применений. Высокоинтегрированные элементы, используемые в SMT технологиях монтаж а , требуют идеальной планарности (плоскостности) контактных площадок печатных плат . Традиционные покрытия HASL не соответствуют требованиям планарности.

Технологии нанесения покрытий, соответствующие требованиям планарности, это наносимое химическими методами покрытия:

Иммерсионное золочение (Electroless Nickel / Immersion Gold - ENIG), представляющее собой тонкую золотую пленку, наносимую поверх подслоя никеля. Функция золота - обеспечивать хорошую паяемость и защищать никель от окисления, а сам никель служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. Это покрытие гарантирует превосходную планарность контактных площадок без повреждения печатных плат , обеспечивает достаточную прочность паяных соединений, выполненных припоями на основе олова. Их главный недостаток - высокая себестоимость производства.

Иммерсионное олово (Immersion Tin - ISn) – серое матовое химическое покрытие, обеспечивающее высокую плоскостность печатных площадок плат ы и совместимое со всеми способами пайки, нежели ENIG. Процесс нанесения иммерсионного олова, схож с процессом нанесения иммерсионного золота. Иммерсионное олово обеспечивает хорошую паяемость после длительного хранения, которое обеспечивается введением подслоя органометалла в качестве барьера между медью контактных площадок и непосредственно оловом. Однако, плат ы , покрытые иммерсионным оловом, требуют осторожного обращения, должны хранится в вакуумной упаковке в шкафах сухого хранения и плат ы с этим покрытием не пригодны для производства клавиатур/сенсорных панелей.

При эксплуатации компьютеров, устройств с ножевыми разъемами, контакты ножевых разъемов, подвергаются трению при эксплуатации плат ы , поэтому, концевые контакты, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота. Гальваническое золочение ножевых разъёмов (Gold Fingers) - покрытие семейства Ni/Au, толщина покрытия: 5 -6 Ni; 1,5 – 3 мкм Au. Покрытие наносится электрохимическим осаждением (гальваника) и используется в основном для нанесения на концевые контакты и ламели. Толстое, золотое покрытие имеет высокую механическую прочность, стойкость к истиранию и неблагоприятному воздействию окружающей среды. Незаменимо там, где важно обеспечить надежный и долговечный электрический контакт.

Многослойная печатная плата

Печатная плата со смонтированными на ней электронными компонентами

Гибкая печатная плата с установленными деталями объёмного и поверхностного монтажа.

Чертеж платы в CAD-программе и готовая плата

Печа́тная пла́та - пластина, выполненная из диэлектрика , на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь. Печатная плата (ПП) предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на ПП соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой , или накруткой, или склёпкой, или впрессовыванием, в результате чего собирается электронный модуль (или смонтированная печатная плата).

Виды плат

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на односторонние, двухсторонние и многослойные.

Печатная плата обычно содержит монтажные отверстия и контактные площадки, которые могут быть дополнительно покрыты защитным покрытием: сплавом олова и свинца, оловом, золотом, серебром, органическим защитным покрытием. Кроме того в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения слоёв платы, внешнее изоляционное покрытие («защитная маска») которое закрывает изоляционным слоем неиспользуемую для контакта поверхность платы, маркировка обычно наносится с помощью шелкографии , реже - струйным методом или лазером.

Многослойные печатные платы

Многослойные печатные платы (сокращенно МПП, англ. multilayer printed circuit board ) применяются в случаях, когда разводка соединений на двусторонней плате становится слишком сложной. По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа увеличивается количество слоев на платах.

В многослойных платах внешние слои (а также сквозные отверстия) используются для установки компонент, а внутренние слои содержат межсоединения либо сплошные платы питания. Для соединения проводников между слоями используются межслойные переходные отверстия. При изготовлении МПП сначала изготавливаются платы слоёв, которые склеиваются через специальные клеящие прокладки (препреги). Далее выполняется прессование, сверление и металлизация переходных отверстий.

Виды печатных плат

По количеству слоёв проводящего материала:

• Односторонние
• Двусторонние
• Многослойные (МПП)

По гибкости:

• Жёсткие
• Гибкие

По технологии монтажа:

• Для монтажа в отверстия

Каждый вид печатной платы может иметь свои особенности, в связи с требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур) или особенности применения (например, в приборах, работающих на высоких частотах).

Материалы

Основой печатной платы служит диэлектрик , наиболее часто используются такие материалы, как текстолит , стеклотекстолит , гетинакс . Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как Capton.

Технологии разработки печатных плат

Современные компьютерные технологии позволяют проектировать печатные платы с любой точностью. Для проектирования печатных плат используются специальный класс

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники»

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«ТЕХНОЛОГИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ»

МИНСК, 2008

Многослойная печатная плата состоит из ряда склеенных печатных слоев, в которых находятся сигнальные проводники, переходные отверстия, экраны, шины питания, контактные площадки или выступы для присоединения выводов элементов. Сохраняя все достоинства печатного монтажа, МПП имеют дополнительные преимущества:

· более высокая удельная плотность печатных проводников и контактных площадок (20 и более слоев);

· уменьшение длины проводников, что обеспечивает значительное повышение быстродействия (например,

скорость обработки данных в ЭВМ);

· возможность экранирования цепей переменного тока;

· более высокая стабильность параметров печатных проводников под воздействием внешних условий.

Недостатки МПП:

· более жесткие допуски на размеры по сравнению с ОПП и ДПП;

· большая трудоемкость проектирования и изготовления;

· применение специального технологического оборудования;

· тщательный контроль всех операций;

· высокая стоимость и низкая ремонтопригодность.

Основные способы получения МПП классифицируют по методу создания электрических межслойных соединений (рис. 1).

рис. 1. Основные способы получения МПП

В первой группе методов электрическая связь между проводниками, расположенными на различных слоях платы, осуществляется с помощью механических детелей: штифтов, заклепок, пистонов, упругих лепестков. МПП изготавливается из нескольких ДПП путем прессования, в отверстия вставляются предварительно облуженные штифты, которые затем под действием электрического тока, проходящего через штифт, разогреваются, образуя с помощью припоя электрическое соединение с печатными проводниками (рис. 2, а ). В отверстия могут вставляться также заклепки, пистоны, которые облуживаются по торцам и развальцовываются (рис. 2, б ). Соединения могут осуществляться по соприкасающимся фланцам пистонов, а также путем соединения предварительно отбортованных контактных площадок пистоном, что уменьшает размеры пакета (рис. 2, в ). Эти методы весьма трудоемки, плохо поддаются автоматизации и не обеспечивают высокого качества межслойных соединений.

рис. 2. Межслойные соединения механическими деталями

Метод выступающих выводов характеризуется тем, что при его осуществлении межслойные соединения образуются за счет выводов, выполненных из полосок медной фольги, выступающих с каждого печатного слоя и проходящих через перфорированные отверстия в диэлектрических межслойных прокладках. Выводы отгибаются на наружную сторону МПП и закрепляются пайкой в специальных колодках. Метод включает следующие операции (рис. 5.21):

· изготовление заготовок из стеклоткани и медной фольги (нарезка в размер);

· перфорирование стеклоткани;

· склеивание заготовок перфорированного диэлектрика с медной фольгой;

· получение защитного рисунка схемы отдельных слоев;

· прессование пакета МПП;

· отгибка выводов на колодки и закрепление их;

· облуживание поверхности выводов, механическая обработка платы по контуру;

· контроль, маркировка.

При данном методе используется более толстая медная фольга (до 80 мкм), платы допускают установку только ИМС с планарными выводами. Количество слоев не превышает 20. Преимущества метода - высокая жесткость и надежность межслойных соединений, недостатки - сложность механизации процесса разводки выступающих выводов и их закрепления на плате, а также установки навесных элементов.

Метод открытых контактных площадок основан на создании электрических межслойных соединений с помощью выводов навесных элементов или перемычек через технологические отверстия, обеспечивающие доступ к контактным площадкам, и включает следующие операции (рис. 5.22):

· получение заготовок фольгированного материала;

· нанесение защитного рисунка схемы на каждый слой;

· травление меди с пробельных мест и удаление резиста;

· пробивка отверстий в слоях;

· прессование пакета МПП;

· облуживание контактных площадок, выполнение электрических соединений.

В слоях вырубаются отверстия: для штыревых выводов круглые, для планарных прямоугольные. Для увеличения площади контакта диаметр площадок делают больше диаметра отверстий. МПП являются ремонтопригодными, так как допускается перепайка выводов ЭРЭ. Количество слоев - до 12.

Недостатки метода: возможность попадания клея на контактные площадки при склеивании слоев и трудоемкость его удаления скальпелем; трудность автоматизации процесса пайки выводов в углублениях; отсутствие электрической связи между слоями; низкая плотность монтажных соединений.

Метод металлизации сквозных отверстий характеризуется тем, что собирают пакет из отдельных слоев фольгированного диэлектрика (внешних - одностороннего, внутренних - с готовыми печатными схемами) и межслойных склеивающихся прокладок, пакет прессуют, а межслойные соединения выполняют путем металлизации сквозных отверстий. Технологический процесс включает следующие операции (рис. 5.23):

· получение заготовок фольгированного диэлектрика и межслойных склеивающихся прокладок;

· получение рисунка печатной схемы внутренних слоев фотохимическим способом аналогично ДПП;

· пресование пакета МПП при температуре 160-180 °С и давлении 2-5 МПа;

· сверление отверстий в пакете;

· получение защитного рисунка схемы наружных слоев фотоспособом;

· нанесение слоя лака;

· подтравливание диэлектрика в отверстиях в смеси серной и плавиковой кислот в соотношении 4:1 при

температуре (60±5) °С в течение 10-30 с. При этом растворяется смола стеклопластиков и стеклоткань склеивающих прокладок устранения следов наволакивания смолы, обнажения контактных площадок и увеличения площади контактирования;

· удаление слоя лака;

· гальваническое меднение отверстий и контактных площадок до толщины 25-30 мкм в отверстиях;

· нанесение металлического резиста гальваническим путем (сплавы Sn-Pb, Sn-Ni);

· удаление защитного слоя рисунка и травление меди с пробельных мест;

· осветление (оплавление) металлического резиста;

· механическая обработка МПП (снятие технологического припуска);

· контроль и маркировка.

Качество МПП, изготовленных методом металлизации сквозных отверстий, в значительной мере зависит от надежности межслойных соединений - торцов контактных площадок с металлизированными отверстиями. Надежное соединение образуется при удалении со стенок отверстий пленки эпоксидной смолы, наволакиваемой при сверлении. Наиболее распространенный способ очистки отверстий перед металлизацией - химическое подтравливание диэлектрика стенок отверстий. Для этого используются растворы кислот или их смеси, однако смеси кислот склонны проявлять продукты травления в порах диэлектрика. За рубежом наибольшее распространение получил способ травления диэлектрика не в смеси кислот, а сначала в серной, а затем в плавиковой. При повышении температуры раствора с 30 до 60 °С глубина подтравливания диэлектрика увеличивается от 2-5 до 40-50 мкм, а при увеличении времени воздействия травящего раствора с 1 до 5 мин глубина подтравливания растет от 25-50 до 100-120 мкм.

В связи с тем, что для подтравливания используются агрессивные растворы (смесь горячих концентрированных кислот), требующие постоянного контроля и последующей нейтрализации обработанных заготовок, был предложен способ сухого плазменного травления. Он обеспечивает хорошую адгезию меди в отверстиях, короткий цикл обработки и отсутствие побочных эффектов. В качестве реагента используется низкотемпературная плазма из смеси газов, например кислорода и фреона при температуре 50-350 °С и давлении 0,13-260 ГПа. Плазма содержит свободные радикалы (до 90) и ионы (1 %). Рекомендуется перед травлением предварительный подогрев плат до 50-70 °С. Плазма превращает эпоксидную смолу в летучее вещество, легко удаляемое из отверстий. Никаких промывок и сушки при плазменном методе не требуется. Этот процесс сухой и полностью автоматизирован. При обработке каждая МПП помещается в пространство между двумя параллельно расположенными алюминиевыми пластинами-электродами. Электроды имеют отверстия, совпадающие с отверстиями в МПП.

Метод металлизации сквозных отверстий является основным и наиболее перспективным в производстве МПП, так как не имеет ограничения количества слоев, легко поддается автоматизации и обеспечивает наибольшую плотность печатного монтажа. Он позволяет изготавливать МПП, пригодные для размещения на них элементов с планарными и штыревыми выводами. Более 80 % всех МПП, производимых в мире, изготавливается этим методом.

Метод попарного прессования характеризуется тем, что внутренние слои МПП изготавливаются на одной стороне заготовки из двустороннего фольгированного диэлектрика, межслойные соединения - путем химико-гальванической металлизации отверстий в заготовках, полученные слои прессуются, а рисунок на наружных сторонах платы выполняется комбинированным позитивным методом.

В конструкции МПП нет прямой электрической связи между внутренними слоями многослойной структуры, она осуществляется через внешние слои. Сложность переходов не дает возможности получить высокую плотность печатного монтажа. Число слоев МПП - не более четырех. Технологический процесс включает следующие операции (рис. 5.24):

· получение заготовок;

· нанесение защитного рисунка схемы внутренних слоев;

· травление меди с пробельных мест и удаление защитного рисунка;

· выполнение межслойных электрических соединений между внутренними и наружными слоями химико-

гальванической металлизацией;

· прессование пакета МПП (металлизированные отверстия переходов заполняются смолой во избежание

их разрушения при травлении);

· сверление отверстий и нанесение защитного рисунка схемы наружных слоев;

· химическое меднение сквозных отверстий;

· гальваническое меднение и нанесение металлического резиста;

· травление меди на наружных слоях;

· осветление металлического резиста;

· механическая обработка;

· контроль, маркировка.

Попарным прессованием изготавливаются МПП, на которых размещаются навесные элементы с планарными и штыревыми выводами. Недостатки метода - низкая производительность, невозможность получения большого числа слоев и высокой плотности печатного монтажа.

Метод послойного наращивания характеризуется тем, что при его осуществлении межслойные соединения выполняют сплошными медными переходами (столбиками меди), расположенными в местах контактных площадок. Технологический процесс включает следующие операции:

· получение заготовок стеклоткани и фольги;

· перфорирование диэлектрика;

· наклеивание перфорированной заготовки диэлектрика на фольгу;

· гальваническая металлизация отверстия и химико-гальваническая металлизация второй наружной поверхности заготовки;

· нанесение защитного рисунка схемы и травление меди;

· гальваническое наращивание меди в отверстиях и химико-гальваническая металлизация наружной поверхности диэлектрика;

· травление меди с пробельных мест;

· получение многослойной структуры путем многократного повторения операций химико-гальванической металлизации и травления;

· напрессовывание диэлектрика;

· получение защитного рисунка печатного монтажа наружного слоя;

· травление меди с пробельных мест и облуживание припоем;

· механическая обработка;

· контроль и маркировка.

Послойным наращиванием получают МПП, на которых размещают только навесные элементы с планарными выводами. Недостатком данного метода является нетехнологичность конструкции, так как нельзя использовать фольгированные диэлектрики и необходимо вести последовательный цикл изготовления многослойной структуры. Стоимость изготовления МПП высокая. Достоинства метода - возможность получения большого числа слоев (5 и более) и самые надежные межслойные контактные соединения. Результаты качественного сравнения МПП, изготовленных различными методами, приведены в табл. 1.

К базовым технологическим процессам получения МПП относятся прессование пакета , механическая обработка и контроль . Прессование пакета МПП является одним из самых важных процессов изготовления МПП, так как от качества его выполнения зависят электрические и механические характеристики готовой МПП. Технологический процесс прессования состоит из следующих операций: подготовка поверхности слоев перед прессованием; совмещение отдельных слоев МПП по базовым отверстиям и сборка пакета; прессование пакета.

Таблица 1 - Сравнительная характеристика методов изготовления МПП

Примечание. Н - низкая; С - средняя; В - высокая.

Для подготовки поверхности слоев к прессованию применяют механическую зачистку абразивами, обезжиривание поверхности органическими растворителями и легкое декапирование фольги. При прессовании экранов с большими участками фольги ее поверхность оксидируют для лучшей адгезии при склеивании. Текстура наполнителя (прокладок из стеклоткани) должна быть равномерно пропитана смолой, иначе при травлении химические растворы проникают в свободные полости и снижают тем самым сопротивление изоляции.

Совмещение отдельных слоев МПП по базовым отверстиям осуществляют в специальном приспособлении (рис. 5), состоящем из верхней 1 и нижней плит 5 , изготовленных из стали. Толщина плит составляет 15-20 мм и зависит от габаритов изготавливаемой платы. Плиты шлифуют по обеим плоскостям, направляющие колонки 2 обеспечивают их полную параллельность. В торцах плит выполняют отверстия для термопар 4 . Габаритные размеры нижней плиты должны быть больше прокладочных листов на 30-50 мм с каждой стороны по периметру, так как. при прессовании возможно вытекание значительного количества смолы. Фиксирующие штыри 3 располагают через 100-150 мм по периметру платы в пределах технологического поля.

Для прессования МПП используют специализированные многоярусные гидравлические прессы, оборудованные системами нагрева, охлаждения плит и поддержания температуры с точностью ±3 °С, регуляторами подачи давления с точностью порядка 3 %. Нагрев плит пресса осуществляют либо перегретым паром, либо электричеством. Для ускоренного охлаждения в плиты встраивают коллекторы для подачи проточной водопроводной воды.

На качество прессования существенно влияет текучесть смолы и время ее полимеризации. Основным фактором в процессе прессования является правильно выбранный момент приложения максимального давления. Если создать давление до начала полимеризации смолы, то значительное ее количество будет выдавлено, а если после полимеризации, то получается плохая проклейка слоев, что приводит к расслоению. При большой скорости возрастания температуры основные реакции отверждения проходят быстро, продукт получается хрупким, неоднородным, со значительными внутренними напряжениями. С уменьшением скорости нагрева механические свойства диэлектрика улучшаются.

Сборку пакета МПП осуществляют в режимах "холодного" и "горячего" прессования. При первом режиме пресс-форму с МПП помещают между холодными плитами пресса, в котором происходит ее последующий нагрев до необходимой температуры со скоростью 15 °С/мин. На первой стадии прессования создают незначительное давление на пакет (0,15-0,2 МПа), а когда смола загустевает при температуре 130-140 °С, давление поднимают до 5-8 МПа. Окончательное отверждение продолжается в течение 40 мин, затем плиты пресса быстро охлаждают водой и, когда температура в пакете снизится до 40 С, пресс раскрывают и извлекают готовый пакет (рис. 6). При "горячем" прессовании плиты нагревают до 160-170 °С, это ускоряет процесс прессования, дальнейший нагрев ведут со скоростью 15-50 °С/мин.

Для снятия напряжений, возникающих в пакете в процессе прессования и вызывающих затем коробление платы, после обрезки облоя МПП подвергают дополнительной тепловой обработке. Для этого ее наглухо зажимают между двумя жесткими пластинами и помещают на 30-40 мин в термошкаф при температуре 120-130 °С, затем оставляют в печи до медленного остывания.

Установленные режимы прессования требуют постоянной корректировки в зависимости от изменения технологических свойств склеивающихся прокладок стеклоткани. Поэтому стеклоткань периодически проверяют на содержание связующей смолы, ее текучести, времени полимеризации. Для более точного контроля времени приложения максимального давления при прессовании пакета измеряют электрическое сопротивление связующей смолы с помощью датчика, представляющего собой электроды в форме гребенки, полученной на фольгированном диэлектрике. Электрическое сопротивление падает с 10 5 МОм до 1 МОм в момент полного расплавления смолы, а затем растет в процессе ее полимеризации.

Для прессования МПП применяют специализированные многоярусные гидравлические прессы, оборудованные системами нагрева и охлаждения плит, устройствами для регулирования технологических режимов. Прессы обеспечивают плоскостность и параллельность плит в пределах 0,1 мм, время нагрева плит до рабочей температуры 20 мин, точность поддержания температуры на их плоскости ±3 °С, давления ± 3 %. Повышение производительности прессования достигается на автоматических линиях (например, модель S75 MRT -372C-X-X-G фирмы Pasadena Hydraulies, США), в которых по заданной программе пресс-формы с обрабатываемыми пакетами МПП пневматическим автооператором перемещаются из позиции загрузки в нагретые плиты гидравлического пресса. Плиты сжимают пакеты в пресс-формах при низком давлении в течение заданного времени, а затем автоматически переключаются на высокое давление. В позицию загрузки устанавливается следующая партия пресс-форм. После выдержки заданного таймером времени полимеризации связующей смолы в пакетах МПП горячие и холодные плиты размыкаются, а автооператор перемещает прошедшие стадию полимеризации пакеты из горячих плит пресса в холодные для их остывания при заданном давлении. Одновременно на позицию прессования подается следующая пресс-форма из позиции загрузки, после чего плиты зажимаются и цикл повторяется.

ЛИТЕРАТУРА

1. Левин А.П., Сватикова Н.Э. Расчет вибропрочности конструкции РЭА. - М.: МИРЭА, 2003.

2. Мевис А.Ф., Несвижский В.Б., Фефер А.И. Допуски и посадки деталей радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/ Под ред. О.А. Луппова. - М.: Радио и связь, 2004. - 152 с.

3. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов – Мн.: Высш.шк., 2002. – 432 с.

Развитие современной радиоэлектро­ники характеризуется широким при­менением микросхем различной слож­ности (ИМС, БИС и СБИС) в качест­ве основных компонентов ЭА. Слож­ность и большая функциональная плотность современной аппаратуры потребовали огромного числа комму­тационных соединений, которые воз­можно осуществить, только используя многослойный печатный монтаж.

С 60-х гг. для всей электроники ха­рактерно обращение к цифровой об­работке сигналов. Как следствие про­гресса в этой области постоянно рас­тет скорость обработки электрических сигналов в единицу времени и плот­ность компоновки элементов в еди­нице объема. Это предъявляет в каче­стве основных требований к системе

монтажа максимальные помехозащи­щенность и плотность проводников.

Проблема помехозащищенности дав­но являлась наиболее важной в техни­ке передачи информации. Собствен­ные помехи системы обусловлены взаимным воздействием внутренних проводников путем емкостной и (или) индуктивной связи. Внешние помехи возникают за счет электромагнитного воздействия системы электропитания, цепей ввода и вывода сигналов. Ис­пользование МПП позволяет в 10 раз уменьшить электромагнитные помехи за счет печатных экранов.

Многослойная печатная плата со­стоит из ряда склеенных печатных слоев, в которых находятся сигналь­ные проводники, переходные отвер­стия, экраны, шины питания, кон­тактные площадки или выступы для присоединения выводов элементов. Сохраняя все достоинства печатного монтажа, МПП имеют дополнитель­ные преимущества:

– более высокая удельная плотность печатных проводников и контакт­ных площадок (20 и более слоев);

– уменьшение длины проводников, что обеспечивает значительное повышение быстродействия (например, ско­рость обработки данных в ЭВМ);

– возможность экранирования цепей переменного тока;

– более высокая стабильность пара­метров печатных проводников под воздействием внешних условий.

Недостатки МПП:

– более жесткие допуски на размеры по сравнению с ОПП и ДПП;

– большая трудоемкость проектирования и изготовления;

– применение специального техноло­гического оборудования;

– тщательный контроль всех операций;

– высокая стоимость и низкая ремон­топригодность.

В настоящее время МПП нашли применение для изготовления панелей ЭВМ, объединяющих конструктивно ИМС, ЭРЭ и коммутационные эле­менты, а также в космической и авиа­ционной аппаратуре. Основные спосо­бы получения МПП классифицируют по методу создания электрических межслойных соединений (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Основные способы получения МПП.

В первой группе методов электриче­ская связь между проводниками, расположенными на различных слоях платы, осуществляется с помощью ме­ханических деталей:

– штифтов,

– закле­пок,

– пистонов,

– упругих лепестков.

МПП изготавливается из нескольких ДПП путем прессования, в отверстия вставляются предварительно облуженные штифты, которые затем под дей­ствием электрического тока, прохо­дящего через штифт, разогреваются, образуя с помощью припоя электриче­ское соединение с печатными провод­никами (рис. 2.24, а ).В отверстия мо­гут вставляться также заклепки, писто­ны, которые облуживаются по торцам и развальцовываются (рис.2.24, б ).Соединения могут осуществляться по соприкасающимся фланцам пистонов, а также путем соединения предвари­тельно отбортованных контактных площадок пистоном, что уменьшает размеры пакета (рис.2.24,в ).Эти ме­тоды весьма трудоемки, плохо поддаются автоматизации и не обеспечива­ют высокою качества межслойных со­единений.

Рис.2.24Соединения с помощью штифта (а ), пис­тонов, соприкасающихся

по фланцам (б ), и предва­рительно отбортованных контактных площадок (в ).

Метод выступающих выводов харак­теризуется тем, что при его осуществ­лении межслойные соединения обра­зуются за счет выводов, выполненных из полосок медной фольги, высту­пающих с каждого печатного слоя и проходящих через перфорированные отверстия в диэлектрических меж­слойных прокладках. Выводы отгиба­ются на наружную сторону МПП и закрепляются пайкой в специальных колодках. Метод включает следующие операции (рис. 2.25):

– изготовление заготовок из стекло­ткани и медной фольги (нарезка в размер);

– перфорирование стеклоткани;

– склеивание заготовок перфорирован­ного диэлектрика с медной фольгой;

– получение защитного рисунка схе­мы отдельных слоев;

– прессование пакета МПП;

– отгибка выводов на колодки и за­крепление их;

– облуживание поверхности выводов, механическая обработка платы по контуру;

– контроль, маркировка.

Рис 2. 25.Стадии формирования МПП методом выступающих выводов

1 - нарезка заготовок; 2 - перфорирование диэлектрика; 3 - нанесение рисунка на слой;

4 – травление меди; 5 –прессование пакета.

При данном методе используется бо­лее толстая медная фольга (до 80 мкм), платы допускают установку только ИМС с планарными выводами. Коли­чество слоев не превышает 20. Пре­имущества метода – высокая жест­кость и надежность межслойных со­единений, недостатки – сложность механизации процесса разводки выступающих выводов и их закрепления на плате, а также установки навесных элементов.

Метод открытых контактных пло­щадок основан на создании электри­ческих межслойных соединений с по­мощью выводов навесных элементов или перемычек через технологические отверстия, обеспечивающие доступ к контактным площадкам, и включает следующие операции (рис. 2.26):

Рис.2.26.Стадии формирования МПП методом открытых контактных площадок:

1 - получение заготовок; 2 - нанесение защитного рель­ефа на слой; 3 - травление меди;

4 - пробивка отвер­стий; 5- прессование пакета и выполнение соединений.

– получение заготовок фольгированного материала;

– нанесение защитного рисунка схе­мы на каждый слои;

– травление меди с пробельных мест и удаление резиста;

– пробивка отверстий в слоях;

– прессование пакета МПП;

– облуживание контактных площадок, выполнение электрических соеди­нений.

В слоях вырубаются отверстия: для штыревых выводов круглые, для планарных прямоугольные. Для увеличе­ния площади контакта диаметр площа­док делают больше диаметра отверстий. МПП являются ремонтопригодными, так как допускается перепайка выво­дов ЭРЭ. Количество слоев – до 12.

Недостатки метода: возможность по­падания клея на контактные площад­ки при склеивании слоев и трудоем­кость его удаления скальпелем; труд­ность автоматизации процесса пайки выводов в углублениях; отсутствие электрической связи между слоями; низкая плотность монтажных соеди­нений.

Метод металлизации сквозных от­верстий характеризуется тем, что со­бирают пакет из отдельных слоев фольгированного диэлектрика (внеш­них – одностороннего, внутренних – с готовыми печатными схемами) и межслойных склеивающихся прокла­док, пакет прессуют, а межслойные соединения выполняют путем метал­лизации сквозных отверстии. Технологическии процесс включает сле­дующие операции (рис. 2.27)

– получение заготовок фольгированного диэлектрика и межслойных склеивающихся прокладок;

– получениерисункапечатнойсхемывнутреннихслоевфотохимическимспособом аналогично ДПП;

– прессование пакета МПП при тем­пературе 160 – 180°С и давлении 2 – 5 МПа;

– сверление отверстии в пакете;

– получение защитного рисунка схе­мы наружных слоев фотоспособом;

– нанесение слоя лака;

– подтравливание диэлектрика в от­верстиях в смеси серной и плавико­вой кислот в соотношении 4:1 при температуре (60±5)°С в течение 10–30с. При этом растворяется смола стеклопластиков и стеклоткань склеивающих прокладок для устранения следов наволакивания смолы, обнажения контактных площадок и увеличения площади контактирования;

– удаление слоя лака;

– гальваническое меднение отверстий и контактных площадок до толщи­ны 25–30 мкм в отверстиях;

– нанесение металлического резиста гальваническим путем (сплавы Sn – Pb, Sn – Ni);

– удаление защитного слоя рисунка и травление меди с пробельных мест;

– осветление (оплавление) металличе­ского резиста;

– механическая обработка МПП (сня­тие технологического припуска);

– контроль и маркировка.

Рис. 2.27.Стадии формирования МПП методом металлизации сквозных отверстий:

1 - получение заготовок; 2 - нанесение рисунка на внут­ренние слои; 3 - прессование пакета;

4 - сверление от­верстии; 5 -подтравливание диэлектрика.

Качество МПП, изготовленных ме­тодом металлизации сквозных отверстий, в значительной мере зависит от надежности межслойных соединений – торцов контактных площадок с метал­лизированными отверстиями. Надеж­ное соединение образуется при удалении со стенок отверстий пленки эпоксидной смолы, наволакиваемой при сверлении. Наиболее распростра­ненный способ очистки отверстий пе­ред металлизацией – химическое под­травливание диэлектрика стенок от­верстий. Для этого используются рас­творы кислот или их смеси, однако смеси кислот склонны проявлять про­дукты травления в порах диэлектрика. За рубежом наибольшее распростра­нение получил способ травления ди­электрика не в смеси кислот, а снача­ла в серной, а затем в плавиковой.

При повышении температуры раство­ра с 30 до 60°С глубина подтравливания диэлектрика увеличивается от 2–5 до 40–50 мкм, а при увеличении времени воздействия травящего раство­ра с I до 5 мин глубина подтравливания растет от 25–50 до 100–120 мкм.

В связи с тем что для подтравливания используются агрессивные рас­творы (смесь горячих концентриро­ванных кислот), требующие постоян­ного контроля и последующей нейтрализации обработанных заготовок, был предложен способ сухого плаз­менного травления. Он обеспечивает хорошую адгезию меди в отверстиях, короткий цикл обработки и отсутст­вие побочных эффектов. В качестве реагента используется низкотемпера­турная плазма из смеси газов, напри­мер кислорода и фреона, при темпе­ратуре 50–350 °С и давлении 0,13–260 ГПа. Плазма содержит свободные радикалы (до 90%) и ионы (1%). Реко­мендуется перед травлением предварительный подогрев плат до 50–70 °С. Плазма превращает эпоксидную смолу в летучее вещество, легко удаляемое из отверстий. Никаких промывок и сушки при плазменном методе не тре­буется. Этот процесс сухой и полно­стью автоматизирован. При обработке каждая МПП помещается в простран­ство между двумя параллельно распо­ложенными алюминиевыми пластина­ми – электродами. Электроды имеют отверстия, совпадающие с отверстия­ми в МПП.

Метод металлизации сквозных от­верстий является основным и наибо­лее перспективным в производстве МПП, так как не имеет ограничения количества слоев, легко поддается ав­томатизации и обеспечивает наиболь­шую плотность печатного монтажа. Он позволяет изготавливать МПП, при­годные для размещения на них эле­ментов с планарными и штыревыми выводами. Более 80 % всех МПП, производимых в мире, изготавливает­ся этим методом.

Метод попарного прессования харак­теризуется тем, что внутренние слои МПП изготавливаются на одной сто­роне заготовки из двустороннего фольгированного диэлектрика, межслойные соединения – путем химико-гальванической металлизации отверстий в заготовках, полученные слои прессуются, а рисунок на наружных сторонах платы выполняется комби­нированным позитивным методом.

В конструкции МПП нет прямой электрической связи между внутрен­ними слоями многослойной структу­ры, она осуществляется через внеш­ние слои. Сложность переходов не дает возможности получить высокую плотность печатного монтажа. Число слоев МПП – не более четырех. Тех­нологический процесс включает сле­дующие операции (рис. 2.28):

Рис 2.28. Стадии формирования МПП методом попарного прессования.

1 - получение заготовок, 2 - получение рисунка на внут­ренних слоях,

3 - выполнение межслойных переходов, 4 - прессование пакета.

– получение заготовок;

– нанесение защитного рисунка схемы внутренних слоев;

– травление меди с пробельных мест и удаление защитного рисунка;

– выполнение межслойных электрических соединений между внутренними и наружными слоями химикогальванической металлизацией;

– прессование пакета МПП (металлизированные отверстия переходов заполняются смолой во избежание их разрушения при травлении);

– сверление отверстий и нанесение защитного рисунка схемы наруж­ных слоев;

– химическое меднение сквозных от­верстий;

– гальваническое меднение и нанесение металлического резиста;

– травление меди на наружных слоях;

– осветление металлического резиста;

– механическая обработка;

– контроль, маркировка.

Попарным прессованием изготав­ливаются МПП, на которых разме­щаются навесные элементы с планарными и штыревыми выводами. Не­достатки метода – низкая производи-тельность, невозможность получения большого числа слоев и высокой плотности печатного монтажа.

Метод послойного наращивания ха­рактеризуется тем, что при его осуще­ствлении межслойные соединения вы­полняют сплошными медными пере­ходами (столбиками меди), располо­женными в местах контактных площа­док. Технологический процесс включа­ет следующие операции (рис. 2.29):

Рис. 2. 29Стадии формирования МПП методом послойного наращивания.

1 - получение заготовок; 2 - перфорирование диэлектри­ка; 3 - наклеивание фольги;

4 - выполнение межслойного перехода; 5- прессование пакета.

– получение заготовок стеклоткани и фольги;

– перфорирование диэлектрика;

– наклеивание перфорированной за­готовки диэлектрика на фольгу;

– гальваническая металлизация отвер­стия и химико-гальваническая ме­таллизация второй наружной по­верхности заготовки;

– нанесение защитного рисунка схемы и травление меди;

– гальваническое наращивание меди в отверстиях и химико-гальваническая металлизация наружной поверхности диэлектрика;

– травление меди с пробельных мест;

– получение многослойной структуры путем многократного повторения операций химико-гальванической металлизации и травления;

– напрессовывание диэлектрика;

– получение защитного рисунка печатного монтажа наружного слоя;

– травление меди с пробельных мест и облуживание припоем;

– механическая обработка;

– контроль и маркировка.

Послойным наращиванием получают МПП, на которых размещают только навесные элементы с планарными вы­водами. Недостатком данного метода является нетехнологичность конструк­ции, так как нельзя использовать фольгированные диэлектрики и необходи­мо вести последовательный цикл изготовления многослойной структуры. Стоимость изготовления МПП высо­кая. Достоинства метода – возмож­ность получения большого числа сло­ев (5 и более) и самые надежные межслойные контактные соединения. Результаты качественного сравнения МПП, изготовленных различными ме­тодами, приведены в табл. 2.8.

Таблица 2. 8.Сравнительная характеристика методов при изготовлении МПП

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники»

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«ТЕХНОЛОГИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ»

МИНСК, 2008

Многослойная печатная плата состоит из ряда склеенных печатных слоев, в которых находятся сигнальные проводники, переходные отверстия, экраны, шины питания, контактные площадки или выступы для присоединения выводов элементов. Сохраняя все достоинства печатного монтажа, МПП имеют дополнительные преимущества:

· более высокая удельная плотность печатных проводников и контактных площадок (20 и более слоев);

· уменьшение длины проводников, что обеспечивает значительное повышение быстродействия (например,

скорость обработки данных в ЭВМ);

· возможность экранирования цепей переменного тока;

· более высокая стабильность параметров печатных проводников под воздействием внешних условий.

Недостатки МПП:

· более жесткие допуски на размеры по сравнению с ОПП и ДПП;

· большая трудоемкость проектирования и изготовления;

· применение специального технологического оборудования;

· тщательный контроль всех операций;

· высокая стоимость и низкая ремонтопригодность.

Основные способы получения МПП классифицируют по методу создания электрических межслойных соединений (рис. 1).

рис. 1. Основные способы получения МПП

В первой группе методов электрическая связь между проводниками, расположенными на различных слоях платы, осуществляется с помощью механических детелей: штифтов, заклепок, пистонов, упругих лепестков. МПП изготавливается из нескольких ДПП путем прессования, в отверстия вставляются предварительно облуженные штифты, которые затем под действием электрического тока, проходящего через штифт, разогреваются, образуя с помощью припоя электрическое соединение с печатными проводниками (рис. 2, а ). В отверстия могут вставляться также заклепки, пистоны, которые облуживаются по торцам и развальцовываются (рис. 2, б ). Соединения могут осуществляться по соприкасающимся фланцам пистонов, а также путем соединения предварительно отбортованных контактных площадок пистоном, что уменьшает размеры пакета (рис. 2, в ). Эти методы весьма трудоемки, плохо поддаются автоматизации и не обеспечивают высокого качества межслойных соединений.

рис. 2. Межслойные соединения механическими деталями

Метод выступающих выводов характеризуется тем, что при его осуществлении межслойные соединения образуются за счет выводов, выполненных из полосок медной фольги, выступающих с каждого печатного слоя и проходящих через перфорированные отверстия в диэлектрических межслойных прокладках. Выводы отгибаются на наружную сторону МПП и закрепляются пайкой в специальных колодках. Метод включает следующие операции (рис. 5.21):

· изготовление заготовок из стеклоткани и медной фольги (нарезка в размер);

· перфорирование стеклоткани;

· склеивание заготовок перфорированного диэлектрика с медной фольгой;

· получение защитного рисунка схемы отдельных слоев;

· прессование пакета МПП;

· отгибка выводов на колодки и закрепление их;

· облуживание поверхности выводов, механическая обработка платы по контуру;

· контроль, маркировка.

При данном методе используется более толстая медная фольга (до 80 мкм), платы допускают установку только ИМС с планарными выводами. Количество слоев не превышает 20. Преимущества метода - высокая жесткость и надежность межслойных соединений, недостатки - сложность механизации процесса разводки выступающих выводов и их закрепления на плате, а также установки навесных элементов.

Метод открытых контактных площадок основан на создании электрических межслойных соединений с помощью выводов навесных элементов или перемычек через технологические отверстия, обеспечивающие доступ к контактным площадкам, и включает следующие операции (рис. 5.22):

· получение заготовок фольгированного материала;

· нанесение защитного рисунка схемы на каждый слой;

· травление меди с пробельных мест и удаление резиста;

· пробивка отверстий в слоях;

· прессование пакета МПП;

· облуживание контактных площадок, выполнение электрических соединений.

В слоях вырубаются отверстия: для штыревых выводов круглые, для планарных прямоугольные. Для увеличения площади контакта диаметр площадок делают больше диаметра отверстий. МПП являются ремонтопригодными, так как допускается перепайка выводов ЭРЭ. Количество слоев - до 12.

Недостатки метода: возможность попадания клея на контактные площадки при склеивании слоев и трудоемкость его удаления скальпелем; трудность автоматизации процесса пайки выводов в углублениях; отсутствие электрической связи между слоями; низкая плотность монтажных соединений.

Метод металлизации сквозных отверстий характеризуется тем, что собирают пакет из отдельных слоев фольгированного диэлектрика (внешних - одностороннего, внутренних - с готовыми печатными схемами) и межслойных склеивающихся прокладок, пакет прессуют, а межслойные соединения выполняют путем металлизации сквозных отверстий. Технологический процесс включает следующие операции (рис. 5.23):

· получение заготовок фольгированного диэлектрика и межслойных склеивающихся прокладок;

· получение рисунка печатной схемы внутренних слоев фотохимическим способом аналогично ДПП;

· пресование пакета МПП при температуре 160-180 °С и давлении 2-5 МПа;

· сверление отверстий в пакете;

· получение защитного рисунка схемы наружных слоев фотоспособом;

· нанесение слоя лака;

· подтравливание диэлектрика в отверстиях в смеси серной и плавиковой кислот в соотношении 4:1 при

температуре (60±5) °С в течение 10-30 с. При этом растворяется смола стеклопластиков и стеклоткань склеивающих прокладок устранения следов наволакивания смолы, обнажения контактных площадок и увеличения площади контактирования;

· удаление слоя лака;

· гальваническое меднение отверстий и контактных площадок до толщины 25-30 мкм в отверстиях;

· нанесение металлического резиста гальваническим путем (сплавы Sn-Pb, Sn-Ni);

· удаление защитного слоя рисунка и травление меди с пробельных мест;

· осветление (оплавление) металлического резиста;

· механическая обработка МПП (снятие технологического припуска);

· контроль и маркировка.

Качество МПП, изготовленных методом металлизации сквозных отверстий, в значительной мере зависит от надежности межслойных соединений - торцов контактных площадок с металлизированными отверстиями. Надежное соединение образуется при удалении со стенок отверстий пленки эпоксидной смолы, наволакиваемой при сверлении. Наиболее распространенный способ очистки отверстий перед металлизацией - химическое подтравливание диэлектрика стенок отверстий. Для этого используются растворы кислот или их смеси, однако смеси кислот склонны проявлять продукты травления в порах диэлектрика. За рубежом наибольшее распространение получил способ травления диэлектрика не в смеси кислот, а сначала в серной, а затем в плавиковой. При повышении температуры раствора с 30 до 60 °С глубина подтравливания диэлектрика увеличивается от 2-5 до 40-50 мкм, а при увеличении времени воздействия травящего раствора с 1 до 5 мин глубина подтравливания растет от 25-50 до 100-120 мкм.

В связи с тем, что для подтравливания используются агрессивные растворы (смесь горячих концентрированных кислот), требующие постоянного контроля и последующей нейтрализации обработанных заготовок, был предложен способ сухого плазменного травления. Он обеспечивает хорошую адгезию меди в отверстиях, короткий цикл обработки и отсутствие побочных эффектов. В качестве реагента используется низкотемпературная плазма из смеси газов, например кислорода и фреона при температуре 50-350 °С и давлении 0,13-260 ГПа. Плазма содержит свободные радикалы (до 90) и ионы (1 %). Рекомендуется перед травлением предварительный подогрев плат до 50-70 °С. Плазма превращает эпоксидную смолу в летучее вещество, легко удаляемое из отверстий. Никаких промывок и сушки при плазменном методе не требуется. Этот процесс сухой и полностью автоматизирован. При обработке каждая МПП помещается в пространство между двумя параллельно расположенными алюминиевыми пластинами-электродами. Электроды имеют отверстия, совпадающие с отверстиями в МПП.

Метод металлизации сквозных отверстий является основным и наиболее перспективным в производстве МПП, так как не имеет ограничения количества слоев, легко поддается автоматизации и обеспечивает наибольшую плотность печатного монтажа. Он позволяет изготавливать МПП, пригодные для размещения на них элементов с планарными и штыревыми выводами. Более 80 % всех МПП, производимых в мире, изготавливается этим методом.

Метод попарного прессования характеризуется тем, что внутренние слои МПП изготавливаются на одной стороне заготовки из двустороннего фольгированного диэлектрика, межслойные соединения - путем химико-гальванической металлизации отверстий в заготовках, полученные слои прессуются, а рисунок на наружных сторонах платы выполняется комбинированным позитивным методом.

В конструкции МПП нет прямой электрической связи между внутренними слоями многослойной структуры, она осуществляется через внешние слои. Сложность переходов не дает возможности получить высокую плотность печатного монтажа. Число слоев МПП - не более четырех. Технологический процесс включает следующие операции (рис. 5.24):

· получение заготовок;

· нанесение защитного рисунка схемы внутренних слоев;

· травление меди с пробельных мест и удаление защитного рисунка;

· выполнение межслойных электрических соединений между внутренними и наружными слоями химико-

гальванической металлизацией;

· прессование пакета МПП (металлизированные отверстия переходов заполняются смолой во избежание

их разрушения при травлении);

· сверление отверстий и нанесение защитного рисунка схемы наружных слоев;

· химическое меднение сквозных отверстий;

· гальваническое меднение и нанесение металлического резиста;

· травление меди на наружных слоях;

· осветление металлического резиста;

· механическая обработка;

· контроль, маркировка.

Попарным прессованием изготавливаются МПП, на которых размещаются навесные элементы с планарными и штыревыми выводами. Недостатки метода - низкая производительность, невозможность получения большого числа слоев и высокой плотности печатного монтажа.

Метод послойного наращивания характеризуется тем, что при его осуществлении межслойные соединения выполняют сплошными медными переходами (столбиками меди), расположенными в местах контактных площадок. Технологический процесс включает следующие операции:

· получение заготовок стеклоткани и фольги;

· перфорирование диэлектрика;

· наклеивание перфорированной заготовки диэлектрика на фольгу;

· гальваническая металлизация отверстия и химико-гальваническая металлизация второй наружной поверхности заготовки;

· нанесение защитного рисунка схемы и травление меди;

· гальваническое наращивание меди в отверстиях и химико-гальваническая металлизация наружной поверхности диэлектрика;

· травление меди с пробельных мест;

· получение многослойной структуры путем многократного повторения операций химико-гальванической металлизации и травления;

· напрессовывание диэлектрика;

· получение защитного рисунка печатного монтажа наружного слоя;

· травление меди с пробельных мест и облуживание припоем;

· механическая обработка;

· контроль и маркировка.

Послойным наращиванием получают МПП, на которых размещают только навесные элементы с планарными выводами. Недостатком данного метода является нетехнологичность конструкции, так как нельзя использовать фольгированные диэлектрики и необходимо вести последовательный цикл изготовления многослойной структуры. Стоимость изготовления МПП высокая. Достоинства метода - возможность получения большого числа слоев (5 и более) и самые надежные межслойные контактные соединения. Результаты качественного сравнения МПП, изготовленных различными методами, приведены в табл. 1.

К базовым технологическим процессам получения МПП относятся прессование пакета , механическая обработка и контроль . Прессование пакета МПП является одним из самых важных процессов изготовления МПП, так как от качества его выполнения зависят электрические и механические характеристики готовой МПП. Технологический процесс прессования состоит из следующих операций: подготовка поверхности слоев перед прессованием; совмещение отдельных слоев МПП по базовым отверстиям и сборка пакета; прессование пакета.

Таблица 1 - Сравнительная характеристика методов изготовления МПП

Примечание. Н - низкая; С - средняя; В - высокая.

Для подготовки поверхности слоев к прессованию применяют механическую зачистку абразивами, обезжиривание поверхности органическими растворителями и легкое декапирование фольги. При прессовании экранов с большими участками фольги ее поверхность оксидируют для лучшей адгезии при склеивании. Текстура наполнителя (прокладок из стеклоткани) должна быть равномерно пропитана смолой, иначе при травлении химические растворы проникают в свободные полости и снижают тем самым сопротивление изоляции.

Совмещение отдельных слоев МПП по базовым отверстиям осуществляют в специальном приспособлении (рис. 5), состоящем из верхней 1 и нижней плит 5 , изготовленных из стали. Толщина плит составляет 15-20 мм и зависит от габаритов изготавливаемой платы. Плиты шлифуют по обеим плоскостям, направляющие колонки 2 обеспечивают их полную параллельность. В торцах плит выполняют отверстия для термопар 4 . Габаритные размеры нижней плиты должны быть больше прокладочных листов на 30-50 мм с каждой стороны по периметру, так как. при прессовании возможно вытекание значительного количества смолы. Фиксирующие штыри 3 располагают через 100-150 мм по периметру платы в пределах технологического поля.

Для прессования МПП используют специализированные многоярусные гидравлические прессы, оборудованные системами нагрева, охлаждения плит и поддержания температуры с точностью ±3 °С, регуляторами подачи давления с точностью порядка 3 %. Нагрев плит пресса осуществляют либо перегретым паром, либо электричеством. Для ускоренного охлаждения в плиты встраивают коллекторы для подачи проточной водопроводной воды.

На качество прессования существенно влияет текучесть смолы и время ее полимеризации. Основным фактором в процессе прессования является правильно выбранный момент приложения максимального давления. Если создать давление до начала полимеризации смолы, то значительное ее количество будет выдавлено, а если после полимеризации, то получается плохая проклейка слоев, что приводит к расслоению. При большой скорости возрастания температуры основные реакции отверждения проходят быстро, продукт получается хрупким, неоднородным, со значительными внутренними напряжениями. С уменьшением скорости нагрева механические свойства диэлектрика улучшаются.

Сборку пакета МПП осуществляют в режимах "холодного" и "горячего" прессования. При первом режиме пресс-форму с МПП помещают между холодными плитами пресса, в котором происходит ее последующий нагрев до необходимой температуры со скоростью 15 °С/мин. На первой стадии прессования создают незначительное давление на пакет (0,15-0,2 МПа), а когда смола загустевает при температуре 130-140 °С, давление поднимают до 5-8 МПа. Окончательное отверждение продолжается в течение 40 мин, затем плиты пресса быстро охлаждают водой и, когда температура в пакете снизится до 40 С, пресс раскрывают и извлекают готовый пакет (рис. 6). При "горячем" прессовании плиты нагревают до 160-170 °С, это ускоряет процесс прессования, дальнейший нагрев ведут со скоростью 15-50 °С/мин.

Для снятия напряжений, возникающих в пакете в процессе прессования и вызывающих затем коробление платы, после обрезки облоя МПП подвергают дополнительной тепловой обработке. Для этого ее наглухо зажимают между двумя жесткими пластинами и помещают на 30-40 мин в термошкаф при температуре 120-130 °С, затем оставляют в печи до медленного остывания.

Установленные режимы прессования требуют постоянной корректировки в зависимости от изменения технологических свойств склеивающихся прокладок стеклоткани. Поэтому стеклоткань периодически проверяют на содержание связующей смолы, ее текучести, времени полимеризации. Для более точного контроля времени приложения максимального давления при прессовании пакета измеряют электрическое сопротивление связующей смолы с помощью датчика, представляющего собой электроды в форме гребенки, полученной на фольгированном диэлектрике. Электрическое сопротивление падает с 10 5 МОм до 1 МОм в момент полного расплавления смолы, а затем растет в процессе ее полимеризации.

Для прессования МПП применяют специализированные многоярусные гидравлические прессы, оборудованные системами нагрева и охлаждения плит, устройствами для регулирования технологических режимов. Прессы обеспечивают плоскостность и параллельность плит в пределах 0,1 мм, время нагрева плит до рабочей температуры 20 мин, точность поддержания температуры на их плоскости ±3 °С, давления ± 3 %. Повышение производительности прессования достигается на автоматических линиях (например, модель S75 MRT -372C-X-X-G фирмы Pasadena Hydraulies, США), в которых по заданной программе пресс-формы с обрабатываемыми пакетами МПП пневматическим автооператором перемещаются из позиции загрузки в нагретые плиты гидравлического пресса. Плиты сжимают пакеты в пресс-формах при низком давлении в течение заданного времени, а затем автоматически переключаются на высокое давление. В позицию загрузки устанавливается следующая партия пресс-форм. После выдержки заданного таймером времени полимеризации связующей смолы в пакетах МПП горячие и холодные плиты размыкаются, а автооператор перемещает прошедшие стадию полимеризации пакеты из горячих плит пресса в холодные для их остывания при заданном давлении. Одновременно на позицию прессования подается следующая пресс-форма из позиции загрузки, после чего плиты зажимаются и цикл повторяется.

ЛИТЕРАТУРА

1. Левин А.П., Сватикова Н.Э. Расчет вибропрочности конструкции РЭА. - М.: МИРЭА, 2003.

2. Мевис А.Ф., Несвижский В.Б., Фефер А.И. Допуски и посадки деталей радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/ Под ред. О.А. Луппова. - М.: Радио и связь, 2004. - 152 с.

3. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов – Мн.: Высш.шк., 2002. – 432 с.