Гибкие печатные шлейфы (ГПШ) в последнее время получили самое широкое применение при создании изделий электронной техники, обеспечивая высокое качество электрических соединений как в стационарных, так и в подвижных конструкциях. Устойчивость к перегибам обеспечивает использование ГПШ в таких конструкциях электронных приборов (ЭП) как неоднократно складываемых в книжку или свертываемых в рулон. Конструктивно выполняемые по принципу организованных выводов они обеспечивают уменьшение габаритов и веса ЭП, возможность применения автоматизированных процессов их изготовления и монтажа, снижая тем самым трудоемкость технологического, процесса и повышая надежность соединений. По массо-габаритным показателям.
ГПШ имеют значительные преимущества по сравнению с плоскими ленточными кабелями (типа ЛППЛ или ЛПП), изготавливаемыми на основе плющенной медной (луженной или без лужения) проволоки.
Именно все это и позволило гибким печатным шлейфам найти широкое применение в изделиях космического аппаратостроения и вооружения, автомобилестроения, медицине (слуховые аппараты, сердечные стимуляторы), контрольно-измерительной технике, компьютерах, бытовой технике и во многом другом.
В современных условиях комплексной микроминиатюризации приборов электронной техники определяющим фактором успешной реализации таких шлейфов является повышение технологических возможностей по реализации (высокой плотности коммутационных дорожек (шаг до 0,15 мм и менее) и повышение их механической устойчивости к многократным перегибам с минимизацией радиуса перегиба.
В достаточной степени этим требованиям удовлетворяют полиимидные (торговые марки ПМ, ПИ, Kapton, Apical, Espanex), полиэфирные (полиэтилентерефталатные — торговые марки ПЭТФ, лавсан, Mylon, Melinex) и фторопластовые пленки (торговые марки Ф4, Teflon и др.).
Наиболее широкое использование получили полиимидные пленки, которые наряду с хорошими электрофизическими и прочностными свойствами, характеризуются высокой устойчивостью к термовоздействиям (гибкость пленок сохраняется в широком диапазоне: от температур жидкого азота до 673 К), отсутствием существенных газовыделений в вакууме, высокой радиационной стойкостью.
Однако, доминирующим технологическим направлением изготовления ГПШ до сих пор являлась субтрактивная технология, предполагающая использование фольгированных медью гибких полиимидных пленок, фотопечати и травления металла с последующим облуживанием монтажных выводов. Такая технология не обеспечивает выполнение современных требований по плотности монтажных выводов, характеризуется существенно высокой трудоемкостью при создании двусторонних шлейфов.
Для изготовления гибких широкоформатных (более 100 мм) двусторонних шлейфов с повышенной плотностью монтажных выводов (шаг < 0,3мм) весьма перспективной является полуаддитивная технология. При этом для обеспечения наибольшей прочности сцепления металлического слоя с полиимидной пленкой металл целесообразно наносить методами тонкопленочного осаждения в вакууме. Учитывая, что контактное взаимодействие наносимых металлических слоев с полиимидом во многом определяется химическим взаимодействием, то технически обоснованным является то, чтобы слои меди наносились с подслоями металлов, характеризующихся высоким сродством к кислороду, а поверхность полиимида предварительно активировалась (химическими или электрофизическими способами). Монтажные выводы таких шлейфов после гальванического «усиления» покрываются финишным лекгоплавким покрытием, обеспечивающим процесс пайки шлейфа в составе прибора. Однако в современных условиях высокоплотного монтажа приборов электронной техники даже такие шлейфы имеют ограничения. Требуется новая технология, комплексно решающая проблемы, связанные как непосредственно с процессом изготовления прецизионных гибких шлейфов с высокоплотным (шаг 0,15 мм и менее) расположением выводов, так и с процессом прецизионного монтажа таких шлейфов в составе приборов. Ограничение разрешающей способности (шага) выводов вызвано вероятностью замыкания соседних выводов как при изготовлении шлейфов, так и при монтаже приборов (пайке) из-за нестабильности теплового воздействия и, как следствие, нестабильности по прочности соединения и растеканию припоя, вплоть до короткого замыкания монтажных выводов шлейфа. При этом требуется такая технология изготовления шлейфов, которая обеспечивала бы высокие электро-физические параметры коммутационных дорожек, исключающие искажения сигналов, а также обеспечивала бы повышенную устойчивость шлейфов к многократным (до десятков тысяч) перегибам с радиусом до 1 мм и менее.
Именно поэтому, тема диссертации, посвященная технологии производства прецизионных широкоформатных гибких шлейфов на полиимидной пленке с повышенной устойчивостью к многократным перегибам для высокоплотного монтажа приборов электронной техники является важной и актуальной.
Предмет исследования диссертации.
Предметом исследования диссертации являются проблемы, связанные с разработкой физико-технологических основ создания новой технологии изготовления полиимидных прецизионных гибких шлейфов, наиболее полно отвечающих требованиям высокоплотного монтажа современных приборов электронной техники.
Целью работы является исследование и разработка прогрессивной технологии изготовления прецизионных гибких шлейфов на полиимидной пленке для высокоплотного монтажа изделий электронной техники.
Для реализации цели диссертации автором определены и сформулированы следующие основные задачи:
— обоснование нового конструкционно-технологического решения создание полиимидных крупноформатных прецизионных гибких шлейфов, наиболее полно отвечающих требованиям высокоплотного монтажа;
— разработка и исследование физико-технологических принципов создания полиимидных двусторонних шлейфов с монтажными балками, имеющими разное финишное покрытие противоположных сторон: облегчающее растекание припоя и исключающее его растекание, и характеризующихся высокими адгезией металлических слоев к полиимидной пленке и стабильностью линейных размеров;
— моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов гибкого шлейфа для обеспечения повышенной устойчивости к многократным перегибам;
— разработка и исследование технологии прецизионного высокоплотного монтажа двусторонних полиимидных шлейфов;
— разработка технологии изготовления полиимидных двусторонних шлейфов для высокоплотного монтажа приборов электронной техники.
Научная новизна работы: 1. Разработана концепция технологии прецизионных гибких полиимидных шлейфов для высокоплотного монтажа, основанная на двусторонней металлизации полиимидной пленки в вакууме и формировании в отверстиях полиимида монтажных балок с разным финишным покрытием противоположных сторон: облегчающим растекание припоя и исключающим его растекание.
2. Обоснованы и подтверждены экспериментально оптимальные технологические параметры процесса односторонней контактной микросварки двусторонних гибких полиимидных шлейфов для высокоплотного монтажа электронных приборов.
3. Теоретически показана и экспериментально выявлена зависимость максимальной ширины прецизионного шлейфа от уровня напряженно-деформированного состояния материалов шлейфа для обеспечения высокоплотного монтажа.
4. Установлена зависимость влияния на прочностную надежность шлейфа следующих конструктивно-технологических параметров:
— толщины медных проводников и полиимидной пленки;
— наличие защитного покрытиядопустимого радиуса перегиба в области упругих деформаций.
5. Установлена взаимосвязь и на основе регрессионного анализа получена математическая модель стойкости полиимидных шлейфов к многократным перегибам от соотношения толщин конструкционных материалов шлейфа. Показано, что использование защитных покрытий из полиимидного лака позволяет существенно повысить их стойкость к многократным перегибам.
Новизна полученных результатов подтверждена положительными решениями по двум заявкам о выдаче патентов РФ на изобретения.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе результатов проведенных исследований:
— разработана новая технология изготовления полиимидных прецизионных гибких шлейфов, позволяющих повысить плотность монтажных паяемых выводов (шаг до 150 мкм), увеличить при заданной плотности выводов линейный размер монтажной зоны до 120 мм, повысить стойкость шлейфа к многократным перегибам при расширении рабочего диапазона допустимого радиуса перегиба от десятков до 1,0 мм и существенном, не менее чем в 1,8 раза, повышении запаса прочности медных проводников шлейфа;
— разработка технологии изготовления шлейфов выполнена комплексно с обеспечением разработки технологического процесса микроконтактирования (односторонней контактной микросварки) выводов двусторонних полиимидных шлейфов для высокоплотного монтажа электронных приборов.
Практическое использование результатов работы определено тем, что:
— технические решения, полученные в диссертации, обеспечили создание ряда изделий электронной техники с параметрами на уровне мировых достижений. Акты об использовании результатов диссертации оформлены на таких предприятиях, как ОАО «Завод Компонент» (г.Зеленоград) в составе серийно выпускаемых вычислителей, ЗАО «НИИМП-Т» (г.Зеленоград) при монтаже многокристальных модулей памяти в трехмерном исполнении и плоских информационных экранов, ОАО «АЭРОПРИБОР-ВОСХОД» (г.Москва) при монтаже прибора высотомера;
— результаты диссертации используются в учебной программе по дисциплиде «Компьютерно-интегрированные технологии монтажа и сборки ЭВС» в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете).
Методики исследований и достоверность результатов.
Методики исследований базируются на теоретических физико-химических основах материаловедения и механики твердых тел, математическом моделировании, в экспериментах используется современная точная исследовательская аппаратура.
Достоверность основных результатов подтверждается большим объемом и комплексностью проведенных исследований, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными испытаниями промышленных образцов, обсуждениями на научно-технических конференциях и положительными экспертизами заявок на изобретения.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 5 научно-технических конференциях:
1. Микроэлектроника и информатика — 2003. 10-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2003 г.
2. Микроэлектроника и информатика — 2004. 11-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2004 г.
3. Микроэлектроника и информатика — 2005. 12-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2005 г.
4. Электроника и информатика — 2005. V Международная научно-техническая конференция, Москва, Зеленоград, 2005 г.
5. Микроэлектроника и информатика — 2006. 13-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2006 г.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в 3 статьях, 5 тезисах докладов на научно-технических конференциях и двух заявках о выдаче патентов РФ на изобретения, по которым получены положительные решения.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержащих 28 рисунков и 3 таблиц, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы — 125 страниц.
Основные результаты работы:
1. Разработана концепция технологии полиимидных прецизионных гибких шлейфов для высокоплотного монтажа, основанная на двусторонней металлизации полиимидной пленки в вакууме и формировании в отверстиях полиимида монтажных балок с разным финишным покрытием противоположных сторон: облегчающим растекание припоя и исключающим его растекание, и характеризующихся высокими адгезией металлических слоев к полиимидной пленке и стабильностью линейных размеров гибкой платы.
2. Экспериментально выявлена и теоретически показана зависимость максимальной монтажной ширины полиимидного шлейфа от уровня внутренних напряжений слоев меди с подслоем хрома. Для стабилизации температуры полиимидной платы при металлизации, определяющей уровень термических напряжений, разработан способ двустадийного нанесения хрома с оптимально обоснованными скоростями: 0,8−1,0 нм/с до номинала поверхностного сопротивления 250 Ом/о, затем скорость нанесения хрома 2,5 — 3,0 нм/с до номинала 50 — 70 Ом/п, и меди -10−13 нм/с до толщины 1,0 -1,2 мкм.
Достаточно хорошее соответствие между расчетной и экспериментальной зависимостями свидетельствует об адекватности принятой модели. Это, в конечном итоге, обеспечивает прогнозирование возможной максимальной ширины шлейфа (до 120 мм) при заданном минимальной ширине (до 0,1 мм) монтажных выводов (балок) шлейфа.
3. Установлена взаимосвязь и на основе регрессионного анализа получена модель зависимости стойкости полиимидных шлейфов к многократным перегибам от соотношения толщин конструкционных материалов шлейфа. При этом показано, что использование защитных покрытий из полиимидного лака для полиимидных шлейфов позволяет существенно, не менее чем в 1,8 раза, повысить запас прочности медных проводников.
4. Результаты моделирования и прочностного анализа гибкого полиимидного шлейфа, полученные с помощью программного комплекса COSMOS Works, позволилиустановить, что максимальные термомеханические напряжения локализуются на поверхности медных проводников в местах изменения формы соединяемых материалов. В условиях эксплуатации шлейфа даже при 373 К максимальные напряжения в медных проводниках составляют <ттах = 50 МПа, что соответствует запасу прочности п~3, и указывает на достаточно высокую термоупругость разрабатанного полиимидного шлейфа.
5. Разработан новый способ и экспериментально обоснованы оптимальные параметры технологии прецизионного высокоплотного монтажа полиимидных шлейфов, основанной на односторонней контактной сварке и контактировании монтажного инструмента с выводом двустороннего шлейфа по стороне, имеющей финишное покрытие, исключающее растекание припоя. Эффект достигается путем формирования монтажных выводов в виде балок за счет расположения их в отверстиях полиимида. При этом покрытием одной стороны балки, предназначенной для контактирования с платой прибора является легкоплавкое покрытие, а покрытием противоположной стороны, предназначенной для контакта с монтажным рабочим инструментом, является слой хрома с удельным поверхностным сопротивлением 50 < ps < 70 Ом/п. В этих условиях при использовании метода сдвоенным электродом в режимах бесфлюсовой импульсной пайки-сварки прочность микроконтакта характеризуется высокими величинами и стабильностью, что и обеспечивает тем самым высокоплотный микромонтаж шлейфов с шагом балок до 0,15 мм.
6. Выполненные исследования в диссертации позволили технически обоснованно комплексно разработать новую промышленную технологию изготовления гибких полиимидных шлейфов и их высокоплотного монтажа для приборов электронной техники. Гибкие полиимидные шлейфы, изготовленные по разработанной технологии, обеспечивают создание широкого спектра современных электронных приборов, характеризуются высокой стабильностью параметров и надежностью при воздействии дестабилизирующих факторов.
7. Разработанные технологические процессы изготовления гибких полиимидных шлейфов и их монтажа внедрены в ОАО «Завод Компонент» и использованы на ряде предприятий (ЗАО «НИИМП-Т», ОАО «АЭРОПРИБОР-ВОСХОД») при разработке высокоинтегрированных электронных приборов.
Такая технология полиимидных шлейфов во многом обеспечила высокие тактико-технические характеристики многокристальных модулей памяти в изделиях ОАО «Завод Компонент», нашедших широкое применение в качестве бортовых вычислительных и информационных комплексов космических систем. В рамках инновационных технологий результаты диссертации использованы при разработке плоских информационных экранов и высотомеров.
8. Результаты диссертации используются в учебном процессе Московского государственного института электронной техники в курсе «Компьютерно-интегрированные технологии монтажа и сборки электронных средств».
Заключение
.
Современные тенденции микроминиатюризации приборов электронной техники показывают, что эффективность решения этого вопроса определяется повышением степени интеграции и во многом разработкой новых технологий компактного монтажа.
Показано, что актуальным и перспективным является монтаж приборов с использованием гибких печатных шлейфов. Наиболее оптимальным решением в этом направлении представляется использование для шлейфов гибкой полиимидной пленки. Однако, основными факторами, сдерживающими развитие и становление этого направления, являются, прежде всего, технологические проблемы, обусловленные требованиями все более компактного высокоплотного монтажа современных приборов, принципиально отличающегося от существующих технологий монтажа гибких печатных полиимидных шлейфов, освоенных промышленностью.
В современных условиях высокоплотного монтажа требуется новая технология, комплексно решающая проблемы, связанные как непосредственно с процессом изготовления полиимидных шлейфов с высокоплотным (шаг 0,15 мм и менее) расположением выводов, так и с процессом прецизионного монтажа таких шлейфов в составе приборов, характеризующихся, при этом, высокой механической устойчивостью к многократным перегибам с минимизацией радиуса перегиба.
Потребовались поисковые работы, и на основе комплекса исследований в рамках данной диссертации вышеотмеченные проблемы нашли свои решения, на основе которых разработана новая технология изготовления прецизионных полиимидных шлейфов, обеспечивающая высокоплотный монтаж приборов электронной техники. Оригинальность и научная новизна найденных решений подтверждена положительными решениями по двум заявкам о выдаче патентов РФ на изобретения.
