Технология изготовления печатной платы

В данном разделе был выбран электрохимический способ получения печатных плат. Этот способ осуществляется посредством следующих основных операций:

• — резка заготовок;
• — подготовка поверхности фольгированного диэлектрика;
• — химическая металлизация;
• — получение рисунка схемы;
• — травление меди с пробельных мест;
• — сверление базовых и крепёжных отверстий;
• — прессование слоёв;
• — операция образования межслойных и монтажных отверстий;
• — операция ультразвуковой промывки;
• — операция гальванического осаждения меди;
• — обработка по контуру печатной платы;
• — маркировка печатной платы;
• — контроль печатной платы.

Размер заготовок из диэлектрического материала определяют исходя из размеров транспортеров, ванн химической и гальванической обработки, ширины рулонов сухого пленочного фоторезиста, рабочего поля сверлильных станков, сеткографических трафаретов и других габаритных ограничений, обусловленных типом применяемого оборудования, а также с учетом наиболее рационального раскроя диэлектрических и вспомогательных материалов.

При определении размеров заготовок учитывают необходимость наличия технологического поля со всех четырёх сторон шириной не более 10 мм. Наиболее употребителен размер заготовок 530X530 мм. Максимальный размер единичной платы 500X500 мм. Получение заготовок выполняется в два приема. В начале листы диэлектрика режутся на полосы, а затем полосы режутся на заготовки. В условиях крупносерийного и массового производства заготовки получают вырубкой в штампах на кривошипных прессах. Разрезка диэлектрических материалов для плат, а также вспомогательных материалов, таких как прокладочная стеклоткань, картон, триацетатная пленка и др., производится с помощью роликовых или гильотинных ножниц.

Предельные отклонения размеров составляют ± 1,5 мм для заготовок толщина которых более 0,2 мм, для заготовок толщиной менее 0,2 мм ±2,0 мм. Зазор между кромками ножей должен быть в пределах 0,02—0,03 мм; при большем зазоре образуются трещины, сколы, происходит расслоение материала. Скорость резания 2—10 м/мин. Учитывая, что резанию подвергаются стеклотекстолиты, т. е. материалы, армированные стеклотканью, режущие кромки ножей гильотины или ролики роликовых ножниц должны быть изготовлены из твердых сплавов.

Заготовки из тонких диэлектриков толщиной до 0,25 мм рекомендуется подвергать термостабилизации с целью завершения процессов полимеризации смолы. Заготовки помещают в открытую тару и подвергают трем циклам нагрева и охлаждения. Режим одного цикла: нагрев до 150 °C в течение 40 мин, выдержка при этой температуре 20 мин, охлаждение до 30 °C в течение 40 мин.

В подготовку поверхности диэлектрика входят две подоперации, одна из них механическая обработка (это обработка с помощью абразивных материалов) и химическая (это обработка с помощью химикатов). На этом этапе заготовка очищается от грязи, окислов, жира и других веществ.

Получение металлического проводящего рисунка, как в отверстиях так и на поверхности диэлектрических материалов осуществляется обычно в две стадии. Вначале диэлектрик металлизируется химическим (бестоковым) способом, а затем на полученный тонкий слой металла осаждается медь гальваническим способом до необходимой толщины металлического слоя. В так называемых аддитивных методах изготовления печатных плат проводящий рисунок получают за одну операцию химической металлизации, осаждая достаточно толстый слой металла, не прибегая к гальваническим процессам.

Способом химической металлизации можно осаждать различные металлы:

• — серебро;
• — медь;
• — никель;
• — кобальт.

Однако наиболее экономичным является процесс химического меднения, который обеспечивает также хорошее сцепление металла с диэлектриком и необходимую электропроводность. Процесс химического меднения характеризуется сравнительно меньшими затратами на материалы, сами растворы отличаются высокой стабильностью и удобны в эксплуатации, так как не требуют сложного оборудования.

Процесс химического меднения является типичным окислительно — восстановительным процессом, протекающим в присутствии катализатора. Этот процесс относится к категории автокаталитических, т. е. начинается он под действием какого-либо катализатора, например металлического палладия, а затем образовавшиеся кристаллы меди сами катализируют дальнейшее выделение меди и процесс происходит уже самопроизвольно.

Химическое меднение отверстий в заготовках печатных плат является весьма ответственной операцией, определяющей качество металлизации и соответственно качество плат. При выполнении всего комплекса операций процесса металлизации следует руководствоваться нижеприведенными правилами:

• — заготовки плат с просверленными отверстиями помещаются в вертикальном положении в кассеты, изготовленные из коррозионностойкой стали или из полимерных материалов (полипропилен, фторопласт);
• — после каждого цикла операции меднения кассеты следует обработать в одном из травильных растворов для удаления частиц меди, которые могут оседать на их поверхность в ванне химического меднения;
• — раствор ванны химического меднения должен непрерывно фильтроваться для удаления механических загрязнений и частиц меди, образующихся в результате восстановления меди на взвешенных в растворе механических примесях;
• — после активирования плат в совмещенном растворе и промывки в двух улавливателях следует обработка в растворе, содержащем 20—21 г/л NaOH, промывка и загрузка в ванну химического меднения. В том случае, если производится электрополирование, обработка в щелочном растворе не производится;
• — платы, имеющие слой химически осажденной меди толщиной более 1мкм, рекомендуется термически обработать при температуре 80—90 єС в течение 1 ч.

Фотографический метод нанесения рисунка позволяет получать минимальную ширину проводников и расстояния между ними 0,1—0,15 мм с точностью воспроизведения до 0,01 мм. С экономической точки зрения этот способ менее рентабельный, но позволяет получать максимальную разрешающую способность рисунка и поэтому применяется в мелкосерийном и серийном производстве при изготовлении плат высокой плотности и точности. Способ основан на использовании светочувствительных композиций, называемых фоторезистами, которые должны обладать:

• — высокой чувствительностью;
• — высокой разрешающей способностью;
• — однородным по всей поверхности слоем с высокой адгезией к материалу платы;
• — устойчивостью к химическим воздействиям;
• — простотой приготовления, надежностью и безопасностью применения.

Фоторезисты разделяются на негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием излучения образуют защитные участки рельефа в результате фотополимеризации и задубливания. Освещенные участки перестают растворяться и остаются на поверхности подложки. Позитивные фоторезисторы передают рисунок фотошаблона без изменений. При световой обработке экспонированные участки разрушаются и вымываются.

Для получения рисунка схемы при использовании негативного фоторезиста экспонирование производят через негатив, позитивного — через позитив. Позитивные фоторезисты имеют более высокую разрешающую способность, что объясняется различиями в поглощении излучения фоточувствительным слоем. На разрешающую способность слоя влияют дифракционное огибание света на краю непрозрачного элемента шаблона и отражение света от подложки.

В негативном фоторезисте дифракция не играет заметной роли, поскольку шаблон плотно прижат к фоторезисту, но в результате отражения вокруг защитных участков появляется ореол, который снижает разрешающую способность. В слое позитивного фоторезиста под влиянием дифракции разрушится и вымоется при проявлении только верхняя область фоторезиста под непрозрачными участками фотошаблона, что мало скажется на защитных свойствах слоя. Свет, отраженный от подложки, может вызвать некоторое разрушение прилегающей к ней области, но проявитель эту область не вымывает, так как под действием адгезионных сил слой опустится вниз, вновь образуя четкий край изображения без ореола.

В настоящее время в промышленности используются жидкие и сухие (плёночные фоторезисты. Жидкие фоторезисты — коллоидные растворы синтетических полимеров, в частности поливинилового спирта (ПВС). Фоторезист на основе поливинилового спирта наносят на предварительно подготовленную поверхность платы путем окунания заготовки, поливом с последующим центрифугированием. Затем слой фоторезиста сушат в термошкафе с циркуляцией воздуха при температуре 40 °C в течение 30—40 мин. После экспонирования осуществляется проявление фоторезиста в теплой воде. Для повышения химической стойкости фоторезиста на основе поливинилового спирта применяют химическое дубление рисунка печатной платы в растворе хромового ангидрида, а затем термическое дубление при температуре 120 °C в течение 45—50 мин. Снятие фоторезиста проводят в течение 3—6 с в растворе следующего состава: 200—250 г/л щавелевой кислоты, 50—80 г/л хлористого натрия, до 1000 мл воды при температуре 20 °C.

Достоинства фоторезиста на основе поливинилового спирта — низкие токсичность и пожароопасность, проявление с помощью воды. К недостаткам его относят эффект темнового дубления (поэтому срок хранения заготовок с нанесенным фоторезистом не должен превышать 3—6 ч), низкую кислотои щёлочеустойчивость, трудность автоматизации процесса получения рисунка, трудоёмкость приготовления фоторезиста, низкую чувствительность.

Операция травлении меди основана на вытравливании незащищённой поверхности фольгированного диэлектрика химическим методом, затем проводится промывка от химикатов и сушка. После всего этого делается контроль. Проверяется пpотpавленность фольги, сверяется с контрольным образцом. генератор ток микропроцессор плата Травление меди — сложный, окислительно — восстановительный процесс в котором окислителем является травильный раствор, переводящий медь из металлического состояния в ионное. Выбор травильных растворов зависит от следующих факторов:

• — типа применяемого фоторезиста;
• — типа оборудования, обеспечивающего высокую производительность и экологическую защищенность процесса травления;
• — допустимой величины коэффициента подтравливания;
• — оптимальной скорости травления.

Промышленность использует травильные растворы на основе хлорного жеперсульфата аммония, хлорной меди, смеси хромового ангидрида и серной кислоты, перекиси водорода, хлорита натрия (щелочные растворы). Выбор травильного раствора определяется типом применяемого фоторезиста скоростью травления, величиной бокового подтравливания, сложностью оборудования, возможностью регенерации и экономичностью всех стадий процессов.

Сверление печатных плат — операция процесса изготовления печатных плат на которой формируются отверстия с помощью вращающегося режущего инструмента. Иногда сверлением также называют лазерное изготовление отверстий.

В зависимости от типа и назначения отверстий их сверление производится на разных этапах процесса изготовления платы. Так глухие и скрытые переходные отверстия сверлятся до сборки или после частичной сборки слоев платы, сквозные переходные и монтажные отверстия— после полной сборки слоев, а неметаллизированные крепежные отверстия — после получения проводящего рисунка.

Сверление материала печатной платы представляет достаточно сложную задачу из-за малого диаметра отверстий, большого их количества, слоистой структуры материала и наличия армирования, а также из-за высоких требований к точности расположения. Для сверления используются специализированные высокооборотные координатные станки с числовым программным управлением. Для повышения производительности для сверления платы обычно собираются в пакеты.

В операции сверления базовых и крепежных отверстий используется сверлильно — фрезерный станок CМ — 600 — Ф2 со сверлом D=3mm. Проделываются 4 отверстия для совмещения слоев платы.

В операции прессование слоёв печатной платы формируется пакет из 3-х слоев, слои совмещаются по базовым отверстиям затем укладывается в пресс — форму и прессуется. Затем производится сушка всего этого пакета. Прессование производится автоматической линией, что обеспечивает полностью автоматизированное прессование.

Операция образования межслойных и монтажных отверстий выполняется на станке ЧПУ CМ — 600 — Ф2. После образования отверстий требуется очистить плату и края отверстий от заусенцев и прилипших крошек стеклотекстолита. Эта операция производиться гидроабразивным методом. Затем идет подтравливание диэлектрика, промывка от химикатов и сушка.

По окончанию производиться контроль на правильность расположения отверстий и их форма.

После идет операция ультразвуковой промывки, сенсибилизация идет операция химического меднения. Этим добиваются нанесения на поверхность отверстий тонкого слоя меди.

Затем идет операция гальванического осаждения меди. Операция проводиться на автооператорной линии АГ— 44. На тонкий слой осаждается медь до нужной толщины. После этого производится контроль на толщину меди и качество её нанесения.

Далее производиться обработка по контуру печатной платы. Эта операция производиться на станке CМ — 600 — Ф2 с насадкой в виде дисковой фрезы. В этой операции удаляется ненужный стеклотекстолит по краям платы и подгонка до требуемого размера.

Затем методом сеткографии производиться маркировка печатной платы. Операция производиться на станке CДC —1, который требуемым штампом произведет оттиск на печатной плате маркировки.

Весь цикл производства печатных плат заканчивается контролем платы.

Здесь используется автоматизируемая проверка на специальных стендах.