Многослойные платы. Как делают печатные платы: экскурсия на завод Технотех. «Глухое» металлизированное отверстие печатной плат ы

Печатная плата представляет собой элемент конструкции, который состоит из диэлектрической основы и медных проводников, которые нанесены на основу в виде металлизированных участков. Она обеспечивает соединение всех радиоэлектронных элементов цепи.

Печатная плата имеет ряд преимуществ по сравнению с объемным (навесным) монтажом с использованием кабелей и проводов:

• высокая плотность монтажа радиокомпонентов и их соединений, в результате чего значительно сокращаются габариты и вес изделия;
• получение проводников и экранирующих поверхностей, а также радиоэлементов в едином технологическом цикле;
• стабильность, повторяемость таких характеристик, как емкость, проводимость, индуктивность;
• высокое быстродействие и помехозащищенность схем;
• стойкость к механическим и климатическим воздействиям;
• стандартизация и унификация технологических и конструктивных решений;
• надежность узлов, блоков и самого устройства в целом;
• повышенная технологичность в результате комплексной автоматизации сборочных работ и контрольно-регулировочных действий;
• низкая трудоемкость, материалоемкость и себестоимость.

Печатная плата имеет также и недостатки, но их совсем немного: ограниченная ремонтопригодность и высокая сложность добавления изменений конструкции.

К элементам таких плат относятся: диэлектрическое основание, металлизированное покрытие, представляющее собой рисунок печатных проводников, контактных площадок; фиксирующие и монтажные отверстия.

Требования, которые предъявляет к этим изделиям ГОСТ

• Печатные платы должны иметь однородную по цвету диэлектрическую основу, которая должна быть монолитна по структуре, не содержать внутренних пузырьков, раковин, инородных включений, трещин, сколов, расслоений. Однако допускаются одиночные царапины, вкрапления металла, следы одиночного удаления непротравленного участка, а также проявление структуры, которое не меняет электрические параметры изделия, не уменьшает допустимого расстояния между элементами рисунка.
• Рисунок - четкий, с ровным краем, без вздутий, разрывов, отслоений, следов инструмента. Допускаются незначительные местные протравы, но не более пяти точек на квадратный дециметр, при условии, что остальная ширина дорожки будет соответствовать минимально допустимой; царапины длиной до шести миллиметров и глубиной до 25 микрон.

Для улучшения коррозионных характеристик и повышения паяемости поверхность платы покрывают электролитическим составом, который должен быть сплошным, без отслоений, разрывов и подгаров. Фиксирующие и монтажные отверстия необходимо располагать в соответствии с чертежом. Допускается иметь отклонения, определенные классом точности платы. С целью улучшения надежности пайки на все внутренние поверхности монтажных отверстий напыляют слой меди, толщина которого должна быть не менее 25 мкм. Этот процесс называют - металлизация отверстий.

Что такое классы печатных плат? Под этим понятием подразумевают классы точности изготовления плат, они предусмотрены ГОСТом 23751-86. В зависимости от плотности рисунка печатная плата имеет пять выбор которого определяется уровнем технического оснащения предприятия. Первый и второй классы не требуют высокоточного оборудования и считаются дешевыми в производстве. Четвертый и пятый классы требуют специальных материалов, специализированного оборудования, идеальной чистоты в производственных помещениях, поддержания температурного режима. Отечественные предприятия массово выпускают печатные платы третьего класса точности.

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