Учебник по Технологии

Из-за большой трудоемкости аддитивных ТП они применяются реже. Для избирательного создания рисунка на платах дополнительно наносится либо некаталитическая адгезионная пленка, либо окись титана, а затем – активатор (чаще на основе солей меди или палладия). Плотность коммутации в гораздо большей степени определяется диаметром переходных отверстий и контактных площадок. Необходимо указать, что минимальный диаметр переходных отверстий МПП, изготовленных субтрактивным и аддитивным методами, практически одинаков.

3.8. Перспективные и новые технологии производства печатных плат

3.8.1. Прямая металлизация

Рассмотрим более подробно перспективные и новые конст- руктивно-технологические направления развития производства ПП: прямую металлизацию, гибкие и гибко-жесткие ПП, а также ПП с микропереходами.

В настоящее время в мире менее 50 % ПП изготовлены с использованием стандартного химического меднения в технологии металлизации сквозных отверстий. Оставшаяся часть плат наиболее вероятно произведена с применением одной из следующих технологий:

1)металлизацией, которая устраняет медь химмеднения и использует только металлы электроосаждения (прямая метализация);

2)химическим меднением (полное формирование меди) в частично аддитивном процессе. Этот процесс разработан для удовлетворения растущего спроса на высокоплотные ПП, применяемые с поверхностным монтажом.

Технология металлизации сквозных отверстий, основанная на стандартном химическом меднении, была выбрана в начале 60-х гг. Метод химического меднения оценивается как наиболее надежный для изготовления ПП. Дополнительные новшества гарантируют, что химическое меднение еще долгое время будет основной технологией.

Бестоковая технология была внедрена, когда регулирующие стандарты, относящиеся к окружающей среде, были менее строги-

221

ми. В дальнейшем контакты рабочих с опасными веществами (типа формальдегида) были ограничены. Промышленность ищет решение проблем безопасности, поэтому альтернативные методы металлизации будут использоваться рядом производителей.

Прямая металлизация, которая имела умеренный успех в последние пять лет, помогает решить проблемы, свойственные основанным на химическом меднении процессам металлизации, устраняя медь химического меднения полностью. Для обеспечения электрической проводимости, необходимой для последующего электроосаждения на стенки отверстия, используется один из трех способов покрытия: технология, основанная на углероде; процессы, основанные на проводящих полимерах; коллоидные системы, содержащие драгоценный металл.

Каждым из перечисленных методов базисное электропроводное покрытие наносится прежде всего на смолу и стеклянные волокна подложек, но не на медь базового материала. Поскольку на наружных слоях медной фольги и на меди внутренних слоев никакого покрытия не остается, возможность разделения «медь к меди» или пузырения значительно уменьшена. Металлизированное соединение осаждается гальванически, без создания промежуточного тонкого медного слоя (отсюда термин – « прямая металлизация»).

Коллоидные системы, содержащие драгоценный металл, дают самый лучший вариант стандартной металлизации сквозных отверстий. Этот вариант приемлем при применении горизонтального оборудования для производства ПП. С высокой надежностью он может использоваться в стандартном процессе при наличии ресурсов автоматизации. Этот метод особенно привлекателен для производителей, которые хотят использовать прямую металлизацию для части изделий, сохраняя стандартное химическое меднение – для остальных.

3.8.2. Гибкие печатные платы

Гибкие печатные платы (ГПП) могут решать многие специфические проблемы конструирования электронной аппаратуры. Имеющиеся примеры эффективного применения ГПП в разных изделиях являются убедительным подтверждением перспективности реализации связей в электронных узлах с помощью ГПП.

Согласно стандарту ГОСТ 20406–75 « Печатные платы. Термины и определения» ГПП – это «печатная плата, имеющая гибкое

222

основание». Стандарт IPC-T-50 «Terms and Definition for Printed Boards» определяет ГПП так: «Печатные платы, использующие гибкий базовый материал, без гибкого защитного покрытия или с гибким покрытием». Типы ГПП приведены в табл. 19.

	Таблица 19
	Типы гибких печатных плат
Односторонние	Платы, содержащие один слой в виде металлических
гибкие печатные	проводников или проводящих (наполненных
платы	металлическими частицами) полимеров
Двусторонние	Платы, имеющие два слоя проводников. При этом провод-
гибкие печатные	ники этих слоев могут соединяться или нет с помощью
платы	металлизированных сквозных отверстий. Защитные слои
	могут формироваться на одной стороне, на обеих
	сторонах или отсутствовать вообще
Многослойные	Платы имеют три (и более) слоя проводников, соединенных
гибкие печатные	металлизированными переходами, в частности, сквозными
платы	металлизированными отверстиями
Гибко-жесткие	Платы представляют собой комбинацию жестких
печатные платы	и гибких частей единой печатной платы. Соединение
	гибких и жестких слоев осуществляется прессованием
	с использованием склеивающих прокладок (препрега).
	Межслойные соединения осуществляются через металли-
	зированные отверстия разной конструкции
	(глухие, внутренние или сквозные)
Статические	Гибкость статических печатных плат используется только
гибкие печатные	при операциях сборки
платы
Динамические	Платы делятся на постоянно гибкие (выдерживают
гибкие печатные	миллионы-миллиарды циклов перегибов)
платы	и периодически гибкие (выдерживают сотни-тысячи
	циклов перегибов)

Основные области применения: ГПП-компьютеры, вооружение, космос, автомобили, индустриальная электроника, бытовая техника, медицина, промышленный контроль, измерительная техника.

Мотивы применения ГПП – динамическая гибкость, уменьшение размера конструкции, уменьшение веса изделий, повышение эффективности и уменьшение стоимости сборки, увеличение выхода годных при сборке, увеличение надежности, улучшение электрических свойств и рассеивания тепла, возможность трехмерной конструкции упаковки, совместимость с поверхностным монтажом, упрощение контроля.

223

Основные характеристики базового материала для ГПП – размерная стабильность, теплоустойчивость, устойчивость к разрыву, приемлемые электрические свойства, гибкость при экстремальных температурах, низкое водопоглощение, химическая стойкость, негорючесть. Наиболее широко применяемые материалы – лавсан и полиимид (табл. 20). Полиимидная пленка – доминирующий материал для изготовления ГПП. Лавсановые пленки (полиэтилентерефталат, ПET) широко используются в бытовой технике, в клавиатурах и калькуляторах.

Таблица 20

Достоинства и недостатки материалов для производства ГПП

Материал

Полиимидные пленки	Лавсановые пленки
Преимущества
Отличная гибкость при широком	Это низкотемпературный
диапазоне температур	термопласт
Хорошие электрические свойства	Очень низкая стоимость
Отличная химстойкость	Хорошая устойчивость к разрыву
(за исключением горячей	и распространению разрыва
концентрированной щелочи)
Очень хорошая устойчивость к разрыву	Очень хорошая гибкость
Определенные типы полиимидов имеют	Хорошая химстойкость
дополнительные преимущества
(коэффициент расширения,
согласованный с медью, уменьшенное
напряжение в ламинатах)
Полиимид можно химически травить	Низкое влагопоглощение
Рабочая температура 200–300 °С	Хороший баланс электрических
	характеристик
	Рабочий диапазон температур от
	+60 до +105 °С
Недостатки
Высокое водопоглощение (до 3 %	Ограниченность к пайке (имеет
по весу)	низкую точку плавления)
Относительно высокая стоимость	Нельзя использовать при очень
	низких температурах (становится
	хрупким)
Несмотря на собственную высокую	Недостаточная размерная
рабочую температуру, их высокотемпера-	стабильность (применяют
турные свойства ограничивают адгезивы	термостабилизацию)

224

Защитные слои – аналог паяльной маски. Защитные слои увеличивают устойчивость к перегибам. Защитные покрытия – акрилаты, полиуретаны, акрилэпоксиды. Жидкие отверждаются с помощью ультрафиолетовых лучей или теплом. Фоточувствительные защитные слои – пленки и жидкие для сеткографии и фотохимического формирования рисунка. Достигается высокая прецизионность рисунка. Соединительные пленки – пленки с адгезивом, защищаемые снимаемой пленкой, применяются для изготовления многослойных ГПП и гибко-жестких плат.

При конструировании многослойных ГПП используются двусторонние и односторонние фольгированные гибкие материалы, на которых выполняется требуемый рисунок проводников отдельных слоев, и соединительные пленки (препрег) для склеивания слоев в многослойную структуру. Поверхность платы защищается покровной полиимидной пленкой с адгезивом (табл. 21).

			Таблица 21
Характеристики гибких и гибко-жестких печатных плат
Характеристики	1-й этап	2-й этап		3-й этап
1	2	3		4
Число слоев	от 1 до 8	от 9 до 12		более 12
Допуск толщины	±10 %	±8 %		ниже
				8 %
Ширина проводников (мкм) при 18 мкм	250 и выше	100		50
медной фольге
Ширина проводников (мкм) при 35 мкм	350 и выше	200		от 100
медной фольге				до 125
Допуск ширины проводников	±20 %	±35 мкм		±12,5
				мкм
Самый маленький размер отверстия	300	250		200
при механическом сверлении, мкм
Самый маленький размер отверстия	250	100		50
при лазерном сверлении, мкм
Отношение толщины платы к диаметру	4:1 или	до 8:1		выше
сквозного отверстия, (H), d	меньше			8:1
Отношение толщины платы к диаметру	–	0,5:1 макс		0,75:1
глухого микроперехода, (H), d				макс
Шаг выводов поверхностного монтажа,	более чем 0,5	от 0,35		менее
мм		до 0,5		0,35
Допуск волнового сопротивления	±15 %	±10 %		±5 %

225

Окончание табл. 21

	1	2	3	4
	Минимальный размер внутренней	800	650	500
	контактной площадки, мкм
	Минимальный размер наружной	1000	800	650
	контактной площадки, мкм
	Минимальный зазор паяльной маски,	200	100	50
	мкм
	Минимальная перемычка паяльной	200	150	–
	маски, мкм
	Минимальная перемычка покровной	300	250	–
	пленки, мкм

Конструкция гибко-жестких плат может основываться на двуслойных или многослойных жестких ПП. Гибкие части могут содержать несколько однослойных или двуслойных ГПП. При конструировании гибко-жестких плат необходимо:

∙избегать расположения сквозных металлизированных отверстий на изгибающихся поверхностях;

∙трассировать проводники под углом 90° к направлению из-

гиба;

∙трассировать проводники на одиночных слоях в области из-

гибов;

∙делать дугу изгиба большой для увеличения срока службы динамических ГПП;

∙проектировать с расположением медных слоев в нейтральной части ГПП;

∙обеспечивать максимально допустимый радиус перегибов;

∙обеспечивать плазменное травление отверстий.

Монтаж компонентов с использованием гибко-жестких ПП рекомендуется осуществлять на жестких частях.

Методы изготовления однослойных ГПП:

∙предварительное штампование отверстий перед фольгированием;

∙химическое травление полиимида;

∙механическое стачивание;

∙лазерная обработка;

∙плазменное травление отверстий.

226

При изготовлении двуслойных ГПП рекомендуется тентингметод (металлизация панели, печать и травление). При изготовлении многослойных ГПП можно использовать следующие методы: стандартный процесс изготовления МПП, послойное наращивание с металлизацией переходов, соединение с помощью анизотропных материалов, спрессовывание фольгированных подложек с программированными переходами.

Гибко-жесткие ПП – наиболее сложные соединительные структуры современной электронной аппаратуры. Их изготовление требует элементов обеих технологий – технологии жестких и технологии гибких ПП. Жесткие платы спрессовываются с гибкими, и осуществляются соответствующие сквозные межслойные соединения. Простейшая гибко-жесткая плата – один жесткий и один гибкий слой.

Сложные гибко-жесткие платы могут содержать более десяти гибких соединительных наборов между жесткими внешними слоями. Гибкие соединительные наборы составляют одно- и двуслойные ГПП. Гибко-жесткие платы сложны в производстве. Они используют большой набор разнородных материалов разной природы

иразмерной стабильности, а также разной степени надежности металлизации. Ключевые операции производства гибко-жестких плат:

∙нарезка гибких и жестких ламинатов в размер групповых заготовок и маркировка;

∙создание базовых отверстий в заготовках;

∙создание на гибких слоях рисунка проводников (фотохимия

итравление), в некоторых соединительных областях могут формироваться межслойные металлизированные переходы;

∙припрессовывание защитных слоев на травленый рисунок;

∙предварительная фрезеровка жестких ламинатов для удаления ненужных частей после изготовления (полное выфрезеровывание или фрезерование на определенную глубину, или скрайбирование материала);

∙нарезка соединительных прокладок с удалением определенных областей для предохранения гибких областей от склеивания между собой и с жесткими частями;

∙спрессовывание защищенных схемных слоев и жестких внешних слоев с помощью вырезанных гибких соединительных листов, гибко-жесткая панель сверлится с использованием той же системы базирования;

227

∙очистка отверстий с помощью плазменного травления;

∙химическая и электрохимическая металлизация;

∙формирование негативного изображения на наружных слоях, электрохимическая металлизация окон в рисунке – медь, затем олово-свинец;

∙удаление фоторезиста и травление меди;

∙выфрезеровывание гибко-жестких плат из заготовки, лишние жесткие части механически удаляются;

∙припрессовывание защитных слоев.

К гибко-жестким ПП предъявляются серьезные требования – они должны выдерживать условия термоциклирования и термоудары, так как используется много адгезивов с высоким коэффициентом теплового расширения. Первое решение проблемы – применение безадгезивных материалов. Второе решение – применение новых или улучшенных конструкций, например, усиление металлизации сквозных отверстий или уменьшение числа адгезионных слоев в жесткой части плат.

Необходимость адаптации имеющегося оборудования и оснастки для изготовления гибко-жестких плат определяет, прежде всего, малая толщина применяемых фольгированных диэлектриков для гибких частей плат и гибких слоев МПП. Для обработки тонких фольгированных диэлектриков на струйных конвейерных линиях в необходимых случаях требуется произвести изменения системы валков конвейера для исключения прогиба материала между валками под воздействием струй рабочего раствора. Прогиб приводит к подъему передней торцевой части заготовки и возможности ухода заготовки с плоскости движения, ее деформации или поломки.

В связи с этим целесообразно выбирать установки с достаточно частым размещением пар (верхнего и нижнего) конвейерных валков. И совершенно неприменима обработка на установках, не имеющих верхних валков. Уменьшение шага между парами валков на имеющихся установках произвести очень сложно, а чаще – невозможно. Рекомендуемым решением задачи обработки гибких слоев на имеющихся установках является применение различного рода оснастки, «закрепляющей» заготовку.

При наличии глухих отверстий в конструкции плат их очистку необходимо производить в плазмохимической установке. Вследствие нагрева и воздействия потока ионов газов в таком случае про-

228

исходит сильная деформация заготовки (скручивание в свиток). Для устранения скручивания необходимо применять специальные приспособления. Качественную металлизацию гибких плат можно произвести только при взаимном перемещении платы и электролита. В существующих линиях для металлизации такое перемещение осуществляется качанием плат в ванне с электролитом в направлении, перпендикулярном к плоскости плат. При этом от давления электролита на поверхность плат они стремятся прогнуться. Для предотвращения изгиба, особенно в случае большой площади заготовки, целесообразно применять закрепление гибкой заготовки в двусторонних рамках. Закрепление должно быть достаточно прочным, чтобы заготовку не вырвало из рамки.

Сверление гибко-жестких МПП производится обычными приемами, так как наличие краевых участков окон под гибкие участки делает заготовку достаточно жесткой и прочной для сверления типовым методом с базировкой на отверстия, на которые позиционируются все слои при прессовании гибко-жестких МПП.

Нанесение пленочной паяльной маски на жесткие участки гибко-жестких МПП не представляет трудностей. Подготовку под нанесение маски целесообразно производить на пемзоструйной установке для обеспечения хорошей адгезии. Так как к этому моменту гибкие участки представляют собой сплошную мембрану в окнах, отмывку от остатков пемзового порошка можно произвести достаточно эффективно и полно.

Нанесение жидкой паяльной маски имеет сложности, в ряде конструкций осуществить эго невозможно из-за наличия углубления окон. Лужение мест, подлежащих пайке (после нанесения паяльной маски), производимое на современных установках с выравниванием и удалением излишнего припоя с помощью воздушных ножей, требует жесткого закрепления заготовок гибких плат. Для закрепления гибких плат в виде фиксирующих рамок необходимо применять специальные приспособления. Лужение гибко-жестких МПП производится в специальном зажимном приспособлении.

Если на гибко-жестких МПП нанесена паяльная маска, стойкая в растворах химического никелирования и иммерсионного золочения, то до вырезки окон нанесение подслоя химникеля (5 мкм) и иммерсионного золота (0,15−0,2 мкм) возможно. Закрепление гибко-жестких МПП производится в подвески, основной задачей которых, помимо обеспечения качества, является достижение минимальных потерь золотосодержащего раствора.

229

Обработка гибких плат по контуру производится наиболее приемлемым для масштабов производства способом:

∙штамповкой;

∙лазерной вырезкой на станке с программным управлением;

∙фрезеровкой с помещением между накладками;

∙вырезанием ножницами.

Специфичной операцией при изготовлении гибких плат и гиб- ко-жестких МПП является напрессовка покровной пленки. До напрессовки в заготовке пленки для гибких плат необходимо сформировать (пробивкой на штампе) базовые отверстия и отверстия для мест пайки. В заготовках для гибких слоев гибко-жестких МПП должны быть вырезаны окна для жестких участков МПП.

При напрессовке покровной пленки необходимо обеспечить плотное прилегание пленки в промежутках между проводниками, для чего между триацетатной пленкой и прокладочным листом целесообразно помещать лист тонкой резины толщиной примерно 0,5 мм. Важно обратить внимание на то, что из-за уникального характера материалов полное использование выгод конструкции гибкожестких плат определяющим образом зависит от выбора технологии изготовления. Характеристики гибких и гибко-жестких ПП, которые должны быть реализованы в России, приведены в табл. 21.

3.8.3. Полиимидные платы

Одним из перспективных и практически реализованных кон- структивно-технологических вариантов исполнения внутриблочных соединений является применение многослойной гибкой полиимидной платы. Гибкие платы, несомненно, являются одним из перспективнейших направлений в области техники монтажа. Способность неоднократно изгибаться и свертываться в трех плоскостях, малые толщины и соответственно масса, ударопрочность – вот далеко не полный перечень преимуществ применения ГП. Особенно очевиден эффект применения многоуровневых ГП в качестве межъячеестой и межблочной коммутации взамен навесных проводников, навесных ремней, круглых и плоских кабелей.

ГП изготавливают по субтрактивной или полуаддитивной технологии. В США и Японии 80–90 % ГП изготавливаются пока односторонними по субтрактивной технологии травления пленок

230