Технологии изготовления печатных плат. Краткий обзор.

Условия (требования ГОСТ), которым должны отвечать печатные платы

Печатная плата (далее – ПП) представляет собой пластину, на которой размещают электрические элементы, образующие необходимое для работы оборудования электрическое соединения. Структурная составляющая ПП включает основание, отверстия на основании (возможен вариант без отверстий) и проводящий рисунок, который формируют тонкие проводники. К вспомогательным составляющим ПП можно отнести проймы и выемы.

Рациональный подход к выбору материала платы, системы взаимосвязанных процессов и составляющих компонентов в ходе производства ПП оказывает существенное влияние на работоспособность и прочность оборудования. К тому же, правильный подход к производству плат выигрышно отразиться на экономической составляющей производства.

ПП бывают трех видов:

• односторонние (ОПП),
• двухсторонние (ДПП)
• и платы, состоящие из трех и более слоев (МПП).

Многослойные ПП могут быть сделаны из двух пар ДПП, а также могут иметь скрытые отверстия.

Также ПП можно разделить на жесткие, гибкие и комбинированные.

В зависимости от плотности печатной установки ПП можно расположить в следующей последовательности (от меньшей плотности к большей):

• платы, изготовленные из одной пластины;
• платы, изготовленные при помощи технологии комбинированного позитивного метода и тентинг-технологии;
• платы, изготовленные из трех и более пластин при помощи покрытия медью сквозных отверстий.

Условия (требования) к ПП обозначены в следующих документах:

• ГОСТ 23752-79: прописаны общие технические требования (условия), которым должны отвечать ПП;
• ОСТ 107460092.004.01-86: предусматривает требования к технологическому процессу ПП;
• ГОСТ Р 55693-2013: обозначены технические условия ПП.

Проанализировав вышеуказанные стандарты, можно отдельно обозначить следующие группы общих условий, предъявляемых к ПП:

• линейные параметры компонентов ПП, правильность их расчета;
• параметры электричества;
• характеристика механики плит, в частности таких свойств как:
  • сопротивление к разрушению;
  • способность к сохранению текущего состояния под воздействием внешних факторов;
  • сопротивление к изнашиванию контактов в определенных условиях эксплуатации;
  • способность покрытия ПП и маски к сцеплению с проводящим участком;
• термические характеристики:
  • устойчивость к высоким температурам;
  • параметры нагревания и теплопроводности;
  • изменение линейных параметров платы под воздействие нагрева;
• устойчивость к химическому разрушению.

Материалы изготовления печатных плат

От свойств базовых материалов ПП во многом зависит характеристика самой ПП.

Зачастую основной материал для изготовления плат берут стеклотекстолит, который покрыт с двух сторон фольгой. Толщина стеклотекстолита может быть разной, от 0,5 до 2,0 миллиметров. Фольга может быть как 18 микрометров, так и 35 микрометров. Использование фольги большей толщины подойдет для крупных проводников и большого зазора между ними.

Диэлектрик, покрытый фольгой, должен иметь хорошее свойство сцепления фольги к основному материалу, которое не должно попасть под воздействие нагрева. К тому же, у такого диэлектрика должны быть высокие показатели электрического сопротивления, высокая температура затвердения, а также неизменные линейные параметры.

Еще одним базовым материалом производства ПП является фоторезист. Основной компонент материала – светочувствительная пленка. В большей степени прибегают к использованию сухой пленки, состоящей из трех наслоений:

• полиэтилена, выполняющего защитную функцию;
• основного слоя, который чувствителен к свету;
• ПЭТ-пленки, которая защищает базовый материал от окисления воздухом.

Проводящий рисунок: технологии создания

Проводящий рисунок можно получить одним из трех способов: негативным, позитивным либо смешанным. Все три способа являются базовыми. В каждом из трех способом изготовления ПП используется базовый светочувствительный материал – сухой фоторезист.

Негативный способ изготовления печатных плат

Это самый легкий способ, который позволяет создать проводящие схемы, однако не предполагает создание отверстий. Проводящая схема формируются за счет субтрактивного метода (устранения участков, которые не входят в рисунок).

Позитивный способ изготовления печатных плат

Данный способ в отличие от первого, позволяет создавать не только рисунок, но медные отверстия. При устранении не входящих в рисунок зон (применении субтрактивного метода), отверстия металлизируются.

Стоит отметить, что покрытие отверстий медью осуществляется в два этапа. Первый этап предполагает химическое покрытие металлом, второй – электрохимическое. Технология прямой металлизации позволяет металлизировать отверстие электрическим способом, покрыв всю глубину отверстия медью.

Смешанный способ изготовления печатных плат

Данный способ схож с предыдущим, однако тут процесс металлизации отверстий осуществляется последовательно, в несколько этапов. Вначале отверстия покрывают тонким слоем металла, после чего наносится и проявляется светочувствительная пленка, и только после происходит покрытие отверстий более толстым слоем меди на всю глубину. Такая поочередность действия позволяет утилизировать заготовленную фольгу с тонким покрытием меди. Соответственно, при создании электрической схемы, нужно будет устранять не всю фольгу и осажденный металл на поверхности пластины, а лишь тонкий слой фольги.

Такая технология способствует не только экономии средств, но и облегчает работу со стоками.

Этот способ является самым часто используемым, подходящим для любого типа ПП. Применяется в случае комбинированного производства ДПП и МПП.

К преимуществам данного способа изготовления ПП можно отнести следующие:

• отлично подходит для создания проводящего рисунка с множеством узких промежутков, что дает возможность решения трудных производительных задач современных ПП;
• малый расход электроэнергии, ввиду меньшей площади покрытия металла.

Основное технологичное отличие смешанного способа и тентинг-способа состоит в том, что в первом способе делается уклон на процессе металлизация, второй же способ акцентирует внимание на процесс устранения участков, не входящих в рисунок.

Метод попарного прессования («ПАФОС»)

Создание рисунка происходит гальваническим образом, без использования диэлектрика, покрытого фольгой.

Данный метод предусматривает технологию установки проводников на заготовку стальной пластины, расположенной на металлизированной токопроводящей шине. Перед креплением проводников, заготовка покрывается светочувствительной пленкой и фотошаблоном, после чего пленка подвергается УФ-излучению, и происходит ее частичное устранение. В зазорные участки наносится тонкое покрытие никеля, после чего наносится медь. Оставшиеся излишки пленки устраняются.

На этапе проявления фоторезиста, осаждения меди в пробельные участки, нанесения металлорезиста и снятия остатков пленки, осуществляется установка проводников в непроводящий электричество материал, убирается крепительное приспособление. И как результат, проводники располагаются на одном уровне с диэлектриком. В создании токопроводящих проводников путем травления меди, нет необходимости.

Метод «ПАФОС» относится к современному методу изготовления ПП. Среди других методов можно также отметить:

• «фотоформ»;
• послойное наращивание;
• металлизация сквозных отверстий.

Тентинг-метод изготовления печатных плат

Данная технология относится к субтрактивному методу. В процессе удаления меди, отверстия, в целях их защиты, закупориваются специальными приспособлениями, выполненными из чувствительной к свету пленки.

Как и в предыдущем методе, наращивание меди осуществляется путем ее осаждения на все незакрытые участки, гальваническим образом.

Ключевая проблема данного метода заключается в надежном закупоривании отверстия, в целях защиты от попадания в него травящего раствора. И не каждая пленка может с этой задачей справиться.

Данный метод изготовления ПП предполагает обязательное соблюдение следующих условий:

• диэлектрики должны быть покрыты медной фольгой. Толщина фольги не должна превышать 18 микрометров;
• для создания проводящего рисунка необходима сухая чувствительная к свету пленка. Толщина пленки должна быть от 50 микрометров;
• для медного насаждения потребуются электролиты с хорошим рассеиванием.

Смешанный позитивный способ изготовления ПП предусматривается создание рисунка через травление металла, толщина которого суммируется из толщины слоя фольги (35 микрометров) и толщины гальванической стяжки (от 5 до 7 микрометров). В данной ситуации средний слой меди, которая будет удалена, составит 40 микрометров. Оптимальный процесс насаждения меди на всю на глубину и ширину компонентов электрической схемы позволяет получить максимальную точность проводников и углублений.

Тентинг-метод предусматривает создание электрической схемы также через травление металла, толщина которого суммируется из толщины слоя фольги и толщины осажденного металла на всю нужную толщину. Для того, чтобы получить, согласно ГОСТ требованиям, среднюю толщину металла (от 20 микрометров) в отверстии двухсторонней платы, внешняя сторона пластины покрывается медным слоем, толщина которого около 25 микрометров. После чего данная толщина в 25 микрометров складывается с толщиной слоя фольги, и они подвергаются окислительно-восстановительному процессу за счет травления металла. Для получения максимальной точности проводников и углублений, как при смешанном позитивном способе, за основу берут непроводящий материал, с толщиной фольги в 18 микрометров.

К основным преимуществам данного метода можно отнести:

• Технология более сокращенная, поскольку отсутствует процесс нанесения и удаления меди, для которого являются обязательными ванны. Следовательно, снижаются затраты на производство.
• Ввиду того, что ПП не покрыта олово-свинцовым слоем либо слоем олова, необходимость применения щелочных хлоридно-медных растворов в процессе удаления металла отсутствует, что положительно влияет на экологическую составляющую производства.
• Высокий уровень электрохимического процесса, происходящий при осаждении меди;
• Значение тока на ванну остается неизменным, поскольку отсутствие рисунка сохраняет площадь металлизации неизменной;
• Поверхность, на которую наносится паяльная маска, отвечает высокому качеству, поскольку поверхность полностью очищена от остатков меди после ее меднения.

Обработка заготовок механическим способом

Разделение заготовки на части путем рубки, проделывание отверстий для базирования заготовки, их сверление и зачистка относят к механическим процессам обработки заготовок.

Отдельный интерес вызывает уровень заточки режущего инструмента. Если сверло затупится, отверстие будет не просверлено, а пробьется. Такая ситуация привет к разрушению металла, покрытого фольгой, в том месте, где выходит режущий инструмент. Помимо этого, плохо наточенное сверло имеет большую силу реакции опоры, соприкосновения со стенками прохода, что приводит к сильному разогреванию и плавлению связующего аморфного вещества, что в свою очередь плохо отражается на металлизации, ввиду того, что стенки прохода сверла становятся гладкими, наподобие стекла. Для хорошего процесса металлизации (сцепления металла с поверхностью заготовки) стенки прохода сверла должны иметь шероховатую поверхность.

После того, как в заготовке проделаны отверстия, делается зачистка заготовки (устранение острых кромок) путем ее шлифования. Особое значение данный процесс имеет в тентинг-методе. Поскольку, плохо зачищенная заготовка, наличие на ней колких выступов может привести к повреждению светочувствительной пленки. Острые выступы, путем повреждения фоторезиста, сотрут слой меди, и как результат такая плата будет являться браком.

Обработка заготовок химическим способом

Химический процесс обработки, в первую очередь, предполагает обработку заготовок ПП химическим раствором. Наиболее используемый раствор для обработки заготовок – персульфат аммония в сочетании с серной кислотой. Соотношение пропорций следующее: 10-20 грамм на литр персульфата аммония и 3-5 грамма на литр серной кислоты, при соблюдении температуры от 18 до 25 градусов. Для химической обработки заготовок может использоваться как модульная линия конвейерного действия, так и лента подвесного типа, оборудованная приспособлением движения заготовок с диапазоном от 30 до 60 миллиметров и частотой перемещения от 20 до 30 двойных оборотов в минуту. Однако, ресурс действия такого раствора крайне низкий, в среднем его хватает на 2-3 дня.

После химической обработки, заготовки промываются проточной водой в камере промывки при температуре от 18 до 25 градусов, затем проводится их просушка в два этапа. Первый этап сушки проходит в камере сушки ленты химической подготовки. Температура сушки в таком модуле составляет от 90 до 110 градусов. Второй этап сушки проходит в сушильном шкафе в течение 20 минут. Здесь температура сушки составляет от 70 до 90 градусов.

Наглядно анализируется качество заготовок после их химической обработки. Медная поверхность должна иметь однородный светло-розовый цвет. Разного рода деформации должны отсутствовать (повреждение фольги, проколы, вмятины, остатки масла, жира и прочее). Возможно наличие царапин, которые не нарушают целостность тонкого металлического листа.

Химико-гальваническая металлизация ПП

Данный процесс занимает большую часть времени в ходе общего хода производства плат. От качества химико-гальванической металлизации будет зависеть качество полученной в итоге платы. Химический способ покрытия проходов плат токопроводящим слоем меди является стандартной технологией производства ПП. В качестве химических веществ используется однородная система из солей меди, атомов элементов, образующих металл, а также органического соединения, бесцветного газа, с резким неприятным запахом. Используемый материал является экологически опасным, соответственно процесс производства также будет небезопасным с экологической точки зрения. Кроме того, используемая консистенция растворов является нестабильной и имеет склонность к самостоятельному распаду, что со временем негативно отражается на процессе функционирования очищенных деталей, ввиду залпового сброса раствора на данные детали платы.

Принимая во внимание данный факт, многие иностранные компании разработали и освоили в связи с этим процесс «прямой» металлизации, который осуществляется без использования химических растворов в процессе проведения металлизации. Преимуществом такого способа металлизации является возможность металлизировать проходы с малым диаметром. Рассмотрим отдельные примеры данной технологии:

• В качестве чистовой обработки используется обезжиривание, при помощи кондиционирующих средств. Такая технология позволяет получить проводящий слой на поверхности непроводящего ток материала, в проходах заготовок.
• Очистка медной поверхности и внутренних слоев проводится специальным очищающим раствором, который устраняет вещества, вызывающее замедление скорости химического процесса, в том числе и средства, кондиционирующего действия.
• Повторная прочистка медной поверхности в целях защиты последующей химической обработки от негативных включений. Используется раствор ортофосфорной кислоты. Промывание заготовок после преддекапирования не проводится.
• Проводится специальное погружение в слабый солянокислый коллоидно-палладиевый раствор. Проводящий слой образуется за счет соединительной реакции данного раствора с кондиционированной поверхностью.
• Постдекапирование. При выполнении данной манипуляции необходимо соблюдать температурный режим от 20 до 30 градусов. Обработка длится около 2-х минут. Этот раствор позволит очистить поверхность от излишек коллоида, который был предварительно сформирован на токопроводящем слое. Также применение этого раствора позволит открыть частицы из палладия, что повышает токопроводимость. Насыщенность раствора не должна превышать заданные рамки 150-250 мл/л (в идеале 200 мл/л).
• Декапирование. В состав раствора входит дистиллированная вода и серная кислота с концентрацией 100-150 г/л. Во время выполнения процедуры убираются излишки медного оксида, активационный слой остается невредимым, температурный режим 18-25 С, длительность процедуры от полуминуты до одной минуты.
• Гальваническое омеднение. Процедура позволяет нанести на стенки отверстия необходимую толщину токопроводящего слоя, является одной из основных.
• Далее выполняется фотолитография и затем = экспонирование. Для выполнения процедуры платы крепятся на заранее подготовленную раму, где под микроскопом идет соединение перекрестий фотошаблона с основными отверстиями.
• В процессе экспонирования неотъемлемой частью является правильное соблюдение фотошаблона с заготовкой, сам процесс обработки выполняется специальными кварцевыми лампами со спектральным диапазоном от 300 до 400 н*м.
• Несколько минут плату необходимо продержать в полной темноте (до получаса), опустить в специальный раствор, чтобы рисунок проявился и после этого при необходимости можно заретушировать.
• В зависимости от толщины фоторезиста изменяется способность разрешения, от чего зависит число линий параллельного выполнения работы.

Процесс травления ПП

Травление необходимо для того, чтобы получить проводящий рисунок. Для этого в местах зазора проводится растворение металла. Места, покрытые светочувствительной пленкой, не травятся.

Окислительно-восстановительный процесс осуществляется в специальных конвейерных сооружениях. При мелком производстве плат используют сооружения погружного типа. Раствор, используемый в ходе проведения травления, подается на плату через устройства с несколькими отверстиями для распыления.

Различают два способа загрузки раствора на конвейер: горизонтальный и вертикальный. Первый способ с технологической точки зрения проще, однако, верхняя поверхность заготовки в данном случае получает большее распыление химического раствора, в отличие от нижней поверхности, ввиду того, что большее скопление раствора происходит на верхней части.

Окислительно-восстановительный процесс подразумевает наличие специальной однородной системы из нескольких химических веществ с веществом, способным производить окисление. Подход к выбору раствора исходит из следующих его оценок:

1. Скорость распыления стабильна, без прерываний;
2. Безвреден для светочувствительной пленки и непроводящего материала;
3. Соблюден регламент показателей распыления проводников по бокам светочувствительной пленки;
4. Химические вещества, входящие в состав раствора, доступные и не дорогостоящие;
5. Рентабельность извлечения из раствора меди;
6. Легкость смывания с заготовок;
7. Большая площадь обработки на единицу объема;
8. Легкость процесса возобновления собственных ресурсов;
9. Воздействие на внешнюю среду минимальное либо отсутствует.

Финишный этап изготовления ПП

Тентинг-метод на завершающем этапе изготовления ПП включает следующие операции:

Удаляется фоторезист (раздубливание). После удаления пленки, ее остатки смывают при помощи специального раствора на конвейерном сооружении. Затем медные проводники при использовании соляной кислоты осветляются, подвергаются промыванию и сушке и передаются на проверку электроконтролем.

Наносится жидкая паяльная маска. До нанесения маски осуществляется механическая и химическая обработка заготовки, ее сушка. После чего настраивается станок и наносится паяльная маска. Пленка экспонируется, в результате чего проявляется рисунок, проводится его обработка в целях лучшего качества проявления. Под воздействием высоких температур осуществляется обработка зафиксированных светом участков пленки, для некоторых типов паяльных масок используется ультрафиолетовая обработка.

Наносится карбоновая смазка. Перед нанесением пасты, поверхность обрабатывается. После нанесения смазки, последующего ее затвердения проводиться контроль качества. Под пайку наносится медное покрытие. Исходя из условий эксплуатации, места расположения платы, медь, нанесенная под пайку, достаточно быстро подвергается окислению, а соответственно поверхность платы требует постоянной защиты. Здесь важно в целях сохранения неразъемного соединения, недопущения отслоения, хорошо смачивать поверхность сплавом для паяния.

Нанесение на контактные выводы особого защитного покрытия. Ввиду того, что клеммы задействованы не только в проведении тока, но и подвергаются механическому процессу, необходимо обеспечить их защиту. В этих целях применяют покрытие никеля, который может быть нанесен как химическим способом, так и при помощи электрохимического воздействия.

Ниже на видео показана технологическая линия производства печатных плат на одном из Российских заводов.

А ниже – одно из производств в Китае.