Методы изготовления печатных плат

Методы изготовления печатных плат

Методы изготовления печатных плат

Основные технологические принципы изготовления печатных плат:

субтрактивный;

аддитивный;

полуадцитивный, сочетающий преимущества субтрактивного и аддитивного методов1;

комбинированный.

1. Субтрактивные методы

Субтрактивный метод наиболее освоен и распространен для простых и очень сложных конструкций печатных плат. Собственно, с него исторически начиналась индустрия печатных плат. В качестве исходного материала используются фольгированные (в основном медью) изоляционные материалы. После переноса рисунка печатных проводников в виде стойкой к растворам травления пленки на фольгированную основу, незащищенные ею места химически стравливаются. Защитную пленку наносят методами полиграфии: фотолитографией, трафаретной печати и др. При использовании фотолитографии, защитная пленка формируется из фоторезиста материала, очувстляемого через фотокопию печатного рисунка -- фотошаблон. При трафаретной печати используют специальную, химически стойкую краску, называемую трафаретной.

1.1 Химический метод

Субтрактивный метод, в чистом виде, реализуется в производстве односторонних печатных плат, где присутствуют только процессы селективной защиты рисунка проводников и стравливания металла фольгированных диэлектриков с незащищенных мест (рис. 1.2.).

Схема стандартного субтрактивного (химического) метода изготовления односторонних печатных плат:

вырубка заготовки;

сверление отверстий;

подготовка поверхности фольги (дезоксидация), устранение заусенцев;

трафаретное нанесение кислотостойкой краски, закрывающей участки фольги, неподлежащих вытравливанию;

травление открытых участков фольги;

сушка платы;

нанесение паяльной маски;

горячее облуживание открытых монтажных участков припоем;

нанесение маркировки;

крнтроль.

Главные фрагменты субтрактивной технологии на основе фотолитографии показаны на рис. 1.2 Преимущества:

возможность полной автоматизации процесса изготовления;

высокая производительность;

низкая себестоимость. Недостатки:

низкая плотность компоновки связей;

использование фольгированных материалов;

наличие экологических проблем из-за образования больших объемов отработанных травильных растворов.

1.2. Механическое формирование зазоров (оконтуривание проводников)

Вместо химического травления, изоляционные зазоры между проводниками можно формировать механическим удалением при помощи режущего инструмента. Для изготовления односторонних печатных плат можно обойтись всего одним станком с ЧПУ, позволяющим по программе сверлить сквозные отверстия и скрайбировать зазоры.

Скрайбирование обычно ведется коническими фрезами с углом при вершине 60 или 30 градусов (в ряде случаев -- менее 18 градусов). Для получения стабильной ширины контурной канавки необходимо строго контролировать глубину врезания фрезы в заготовку. Неплоскостность подложки, неравномерный прижим заготовки к рабочему столу могут привести к разбросу ширины реза. Именно поэтому свер-лильно-фрезерные станки должны иметь специальные прижимные головки, принудительно выравнивающие заготовки плат в плоскость стола станка.

Метод отличается коротким технологическим циклом изготовления, малой капиталоемкостью, не создает экологических проблем. Он очень удобен для изготовления полноценных экспериментальных образцов монтажных подложек. Но образцы плат получаются дороже (большой расход фрез), чем изготовленные химическим методом. Поэтому и из-за большого ритма выпуска (плата изготавливается более, чем 4 часа) этот метод не годится для серийного производства.

Таблица 1.1. Разновидности плат, полученных методом скрайбирования контура проводников

Чтобы избежать необходимости химических процессов металлизации отверстий, при изготовлении печатных плат методами скрайбирования и фрезеровки используют примитивные методы соединения двух сторон, как показано на рис. 1.4.

При скрайбировании контура проводников фрезы неизбежно вспарывают стеклоткань диэлектрика, что повышает его восприимчивость к загрязнениям. Поэтому такие платы требуют повышенного внимания к последующим процессам защиты поверхности от воздействия внешних сред паяльной маской или специальной пропиткой, не мещающей пайке, или лакировкой после монтажа.

1.3. Лазерное гравирование

Ультрафиолетовые лазеры (эксимерные и Nd:YAGwnvi Nd:LIF-na-зеры) способны испарять медь фольги и минимально травмировать диэлектрическую подложку Это позволяет использовать их для гравирования контуров проводников. Современное оборудование, предназначенное для этой цели, сочетает в себе две лазерных головки: СО^-лазер и УФ-лазер, которые попеременно сверлят сквозные и глухие отверстия и гравируют пробельные места плат.

Лазерные методы прямого формирования рисунка высокопроизводительны, воспроизводят рисунок с разрешением проводник/зазор = 0,05/0.05 мм. Но пока это оборудование слишком дорого для повсеместного использования.

2. Аддитивные методы

Эти методы предполагают использование нефольгированных диэлектрических оснований, на которые тем или другим способом, избирательно (там, где нужно) наносят токопроводящий рисунок. Разновидности метода определяются способами металлизации и избирательное™ металлизации.

Токопроводящие элементы рисунка можно создать:

химическим восстановлением металлов на катализированных участках диэлектрического основания (толстослойная химическая металлизация -- ТХМ);

переносом рисунка, предварительно сформированного на металлическом листе, надиэлектрическую подложку (метод переноса);

нанесением токопроводящих красок или паст или другим способом печати;

восстановительным вжиганием металлических паст в поверхность термостойкого диэлектрического основания из керамики и ей подобных материалов;

вакуумным или ионно-плазменным напылением;

* выштамповыванием проводников. Избирательность осаждения металла можно обеспечить:

фотолитографией (через фотошаблон) фоторезиста, закрывающего в нужных местах участки поверхности основания, неподлежащие металлизации (для метола толстослойной химической металлизации - ТХМ);

избирательным фотоочувствлением (через фотошаблон или сканирующим лучом) катализатора, предварительно нанесенного на всю поверхность основания (для фотоаддитивного метода ТХМ);

трафаретной печатью (для паст и красок);

масочные защиты (для вакуумной и ионогшазменной металлизации).

2.1 Фотоаддитивный процесс

Схема процесса фотоаддитивной технологии (как пример одного из вариантов аддитивного метода):

вырубка заготовки;

сверление отверстий под металлизацию;

нанесение фотоактивируемого катализатора на все поверхности заготовки и в отверстия;

активация катализатора высокоэнергетической экспозицией через фотошаблон-негатив;

толстослойное химическое меднение активированных участков печатной платы (печатных проводников и отверстий);

отмывка платы от остатков технологических растворов и 11еак-тивированного катализатора;

глубокая сушка печатной платы;

нанесение паяльной маски;

нанесение маркировки;

обрезка платы по контуру;

электрическое тестирование;

приемка платы -- сертификация.

Основные фрагменты фотоаддитивного метода показаны на рис. 1.5. Преимущества:

использование нефольгированных материалов;

возможность воспроизведения тонкого рисунка. Недостатки:

длительный контакт открытого диэлектрика с технологичес-

кими растворами металлизации, ухудшающими характеристики электрической изоляции без дополнительных мер по отмывке;

длительность процесса толстослойного химического меднения.

2.2 Аддитивный процесс

Схема процесса аддитивной технологии с использованием фоторезиста:

вырубка заготовки;

сверление отверстий под металлизацию;

нанесение катализатора на всю поверхности заготовки и отверстий;

нанесение и экспозиция фоторезиста через фотошаблон-позитив;

проявление фоторезиста с обнажением участков поверхности платы с нанесенным катализатором;

толстослойная химическая металлизация отверстий и проводников;

нанесение маркировки;

обрезка платы по контуру;

электрическое тестирование;

* приемка платы -- сертификация. Преимущества:

использование нефольгированных материалов; изоляционные участки платы защищены фоторезистом -- изоляции не загрязняется технологическими растворами;

фоторезист может оставаться на плате в качестве защитного покрытия.

Недостатки:

длительный процесс толстослойной химической металлизации;

необходимость использования фоторезиста, стойкого к длительному воздействию растворов химического меднения с щелочной реакцией.

2.3 Нанесение токопроводящих красок или металлонаполненных паст

Главные проблемы этого метода:

создание в проводниках нужной проводимости, желательно соизмеримой с основным металлом;

возможность воспроизведения рисунка с хорошим разрешением;

обеспечение паяемости.

Проблемы проводимости могут быть решены, при условии максимального удаления связующего, разделяющего металлические частицы, из объема краски или пасты. Наилучшим образом, это достигается при высоких температурах обработки. Но для этого требуются нагревостойкие диэлектрические основания, типа стекла (си-талл), керамики (стеатит). Нанесение проводников на органические основания менее успешны из-за их ограниченной нагревостой-кости и связанными с этим трудностями в удалении связующего для сближения металлических частиц. Поэтому на органических подложках удается достичь 20% проводимости от чистого металла.

Вообще, чем выше температура обжига, тем лучше условия для обеспечения большей проводимости, силы сцепления с подложкой, пая-емости. Наиболее удовлетворительные результаты получены с составами на основе серебра и связующего из мелкодисперсного низкоплавкого стекла (фритты). При обжиге, с подъемом температуры до 500...800°С улетучивается растворитель, выгорает органическое связующее и, наконец, плавится фритта. При охлаждении частички серебра прочно сцепляются в объеме стекла (фритты), которое, в свою очередь, прочно сцепляется с керамической подложкой. Проводимость воженных проводников может достигать 95% проводимости чистого серебра.

Токопроводящую краску обычно наносят методом трафаретной печати, обеспечивая минимальную ширину проводника 0,8 мм при норме 1,5 мм. При этом формирование проводящего слоя в отверстиях связано с большими трудностями.

Появилась возможность изготовления полноценных плат, в которых токопроводящие краски заполняют рельеф проводников и отверстий. Такой процесс можно считать полностью аддитивным. Схема его показана на рис. 1.7. Авторы утверждают, что эта технология способна воспроизводить проводники и зазоры шириной по 0,15 мм, отверстия диаметром 0, [5мм, в основании толщиной 0,4мм. Типичное время изготовления двусторонней платы -- 3...4 часа, 4-слойной -- 8... 10 часов.

2.4 Горячая запрессовка металлического порошка (тиснение)

Тонкодисперсная металлическая пудра (порошок) наносится на поверхность подложки опудриванием, пульверизацией, катафорезом, накатыванием или любым другим способом. Затем нагретым штампом с рельефом, соответствующим топологии схемы, порошок впрессовывается в основание подложки. На пробельных местах порошок не закрепляется и удаляется для использования. Штамп может одновременно вырубать отверстия и контур плат. Этот метод незаменим для массового тиража плат из дешевых материалов подложек: картона, листовых термопластичных и термореактивных пластмасс и др. Схема процесса тиснения показана на рис. 1.8.

2.5 Штампование

При этом способе, медную фольгу сматывают с ролей, покрывают соответствующим клеящим веществом и подают в автоматический штамповальный пресс, как показано на рис. 1.9. Фольга вырубается и впрессовывается в изоляционный материал острыми кромками штампа по периметру проводников. Нагретый штамп не только впрессовывает края фольги в изоляционный материал, но и расплавляет склеивающее вещество, благодаря чему обеспечивается прочное сцепление проводников с основанием. Температура нагрева "штампа зависит от используемого клеящего вещества и составляет приблизительно 110° С для термопластичных и 150°Сдля термореактивных смол. Время выстоя штампа при склеивании термоштастичной смолой составляет примерно 2 сек. Для термореактивной смолы оно значительно больше (для окончательного отверждения). Поэтому для ускорения процесса, чтобы время выстоя штампа было минимальным, обеспечивают лишь закрепление фольги на подложке. После сверления отверстий, вырубки пазов, для разобщения цепей схема вновь нагревается под давлением до окончательного отверждения клеящего вешества.

2.6 Метод переноса

К аддитивным процессам можно полноправно отнести и метод переноса. Один из перспективных вариантов реализации такого процесса с использованием электрохимического осаждения металлов (ПАФОС) показан на рис. 1.10. В методе переноса проводящий рисунок создается на временных «носителях» -- листах из нержавеющей стали, поверхность которых предварительное покрывается гальванически осажденной медью толщиной 2...5мкм.

По тонкому медному покрытию формируется защитный рельеф фоторезиста. Проводники получают гальваническим осаждением тонкого слоя никеля (2...3мкм) и меди (З0...50мкм) в рельеф фоторезиста. Затем фоторезист удаляют и проводящий рисунок на всю толшину впрессовывают в диэлектрик. Впрессованный рисунок проводников вместе с медной шиной механически отделяется от поверхности временных носителей. Таким образом, его переносят с металлического листа на диэлектрическую подложку. Отсюда название процесса -- «метод переноса».

В слоях без межслойных переходов медная шина стравливается. При изготовлении двухсторонних слоев с межслойными переходами тонкая медная шина служит проводящим подслоем для электрохимического процесса металлизации отверстий.

Проводящий рисунок, утопленный в диэлектрик и сверху защищенный слоем никеля, не подвергается травлению при стравливании меди. Поэтому форма, размеры и точность проводящего рисунка определяется рисунком рельефа в фоторезисте, то есть процессами фотолитографии.

2.7 Общая оценка аддитивных методов

В большинстве аддитивных методов полностью отсутствуют процессы травления (удаления металла -- субтракции), и, в этом смысле они экологически чистые, хотя другие, сопутствующие им процессы (отмывки от технологических загрязнений и растворов, избыточность растворов химической металлизации при их корректировках и т.п.) загрязняют промышленные стоки, но не в той мере, как субтрактивные технологии. И если все-таки процессы травления в них присутствуют (ПАФОС), то их объемы настолько незначительны, что они не создают серьезных экологических проблем.

Распространению аддитивных методов мешает ряд сложностей их использования:

нет возможности использовать высокопроизводительные процессы электрохимической металлизации элементов печатного монтажа на диэлектрическом основании из-за их электрической разобщенности. Это, правда, не относится к методу ПАФОС;

- толстослойная химическая металлизация (ТХМ) -- сложный и низкопроизводительный процесс, требуюший управления по большому количеству параметров. При любых сбоях управления он способен разрушаться с большими издержками для производства. Мало того, этот процесс имеет большую длительность: для достижения приемлемой толщины осаждения (например, 25 мкм для меди) процесс длится часами. Надежность технологических и энергетических систем зачастую не позволяет выдержи вать нужные режимы осаждения втечение этого времени;

по всем (кроме чисто аддитивного процесса) схемам затруднена металлизация отверстий;

токопроводящие пасты имеют повышенное сопротивление, от чего, по крайней, мере, цепи питания не могут быть реализованы приемлемыми ширинами проводников; напыление через маски требует их очистки от осевших на них металлов химическим стравливанием, что уравнивает их с суб-трактивными методами;

Страницы: 1, 2