Материалы печатных плат. Материалы для печатных плат Материалы для изготовления печатных плат

Для изготовления печатной платы нам необходимо выбрать следующие материалы: материал для диэлектрического основания печатной платы, материал для печатных проводников и материал защитного покрытия от воздействия влаги. Сначала мы определим материал для диэлектрического основания печатной платы.

Существует большое разнообразие фольгированных медью слоистых пластиков. Их можно разделить на две группы:

– на бумажной основе;

– на основе стеклоткани.

Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев бумаги или стеклоткани, скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Связующим веществом обычно являются фенольная смола для бумаги или эпоксидная для стеклоткани. В отдельных случаях могут также применяться полиэфирные, силиконовые смолы или фторопласт. Слоистые пластики покрываются с одной или обеих сторон медной фольгой стандартной толщины.

Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат.

В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы печатной платы.

Фенольный гетинакс - это бумажная основа, пропитанная фенольной смолой. Гетинаксовые платы предназначены для использования в бытовой аппаратуре, поскольку очень дешевы.

Эпоксидный гетинакс - это материал на такой же бумажной основе, но пропитанный эпоксидной смолой.

Эпоксидный стеклотекстолит - это материал на основе стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой. В этом материале сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства.

Прочность на изгиб и ударная вязкость печатной платы должны быть достаточно высокими, чтобы плата без повреждений могла быть нагружена установленными на ней элементами с большой массой.

Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди. Так как температурный коэффициент расширения меди в 6-12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса, имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое на стенках отверстий при термоударе, которому подвергается печатная плата в машине для групповой пайки.

Трещина в металлизированном слое на стенках отверстий резко снижает надежность соединения. В случае применения эпоксидного стеклотекстолита отношение температурных коэффициентов расширения примерно равно трем, и риск образования трещин в отверстиях достаточно мал.

Из сопоставления характеристик оснований следует, что во всех отношениях (за исключением стоимости) основания из эпоксидного стеклотекстолита превосходят основания из гетинакса. Печатные платы из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем печатные платы из фенольного и эпоксидного гетинакса; последние имеют степень деформации в десять раз больше, чем стеклотекстолит.

Некоторые характеристики различных типов слоистых пластиков представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Характеристики различных типов слоистых пластиков

Сравнивая эти характеристики, делаем вывод, что для изготовления двусторонней печатной платы следует применять только эпоксидный стеклотекстолит. В данном курсовом проекте выбран стеклотекстолит марки СФ-2-35-1,5.

В качестве фольги, используемой для фольгирования диэлектрического основания, можно использовать медную, алюминиевую или никелевую фольгу. Однако алюминиевая фольга уступает медной, так как плохо поддаётся пайке, а никелевая имеет высокую стоимость. Поэтому в качестве фольги выбираем медь.

Медная фольга выпускается различной толщины. Стандартные толщины фольги наиболее широкого применения - 17,5; 35; 50; 70; 105 мкм. Во время травления меди по толщине травитель воздействует также на медную фольгу со стороны боковых кромок под фоторезистом, вызывая так называемое «подтравливание». Чтобы его уменьшить обычно применяют более тонкую медную фольгу толщиной 35 и 17,5 мкм. Поэтому выбираем медную фольгу толщиной 35 мкм.

1.7 Выбор метода изготовления печатной платы

Все процессы изготовления печатных плат можно разделить на субтрактивные и полуаддитивные.

Субтрактивный процесс (subtraction -отнимать) получения проводящего рисунка заключается в избирательном удалении участков проводящей фольги путем травления.

Аддитивный процесс (additio -прибавлять) - в избирательном осаждении проводящего материала на не фольгированный материал основания.

Полуаддитивный процесс предусматривает предварительное нанесение тонкого (вспомогательного) проводящего покрытия, впоследствии удаляемого с пробельных мест.

В соответствии с ГОСТ 23751 – 86 конструирование печатных плат следует осуществлять с учетом следующих методов изготовления:

– химического для ГПК

– комбинированного позитивного для ДПП

Металлизации сквозных отверстий для МПП

Таким образом, данная печатная плата, разрабатывае­мая в курсовом проекте, будет изготавливаться на основе двустороннего фольгированного диэлектрика комбинированным позитивным методом. Этот метод дает возможность получать проводники шириной до 0,25 мм. Проводящий рисунок получают субтрактивным методом.

2 РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОВОДЯЩЕГО РИСУНКА

2.1 Расчет диаметров монтажных отверстий

Конструктивно-технологический расчет печатных плат производится с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблона, базирования, сверления и т.п. Граничные значения основных параметров печатного монтажа, которые могут быть обеспечены при конструировании и производстве для пяти классов плотности монтажа, приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Граничные значения основных параметров печатного монтажа

В таблице указанно:

t – ширина проводника;

S – расстояние между проводниками, контактными площадками, проводником и контактной площадкой или проводником и металлизированным отверстием;

b – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки данного отверстия (гарантийный поясок);

g – отношение минимального диаметра металлизированного отверстия к толщине платы.

Выбранные в соответствии с таблицей 1 размеры необходимо согласовать с технологическими возможностями конкретного производства.

Предельные значения технологических параметров конструктивных элементов печатной платы (таблица 5) получены в результате анализа производственных данных и экспериментальных исследовании точности отдельных операций.

Таблица 5 – Предельные значения технологических параметров

Продолжение таблицы 5

Минимальный диаметр металлизированного (переходного) отверстия:

d min V H расч ´ g = 1,5 ´ 0,33 =0,495 мм;

где g = 0,33 - плотность печатного монтажа для третьего класса точности.

H расч – толщина фольгированного диэлектрика платы.

Что представляет из себя печатная плат а ?

Печатная плат а или плат а , представляет собой пластину или панель состоящее из одного или двух проводящих рисунков, расположенных на поверхности диэлектрического основания, или из системы проводящих рисунков, расположенных в объеме и на поверхности диэлектрического основания, соединенных между собой в соответствии с принципиальной электрической схемой, предназначенное для электрического соединения и механического крепления устанавливаемых на нем изделий электронной техники, квантовой электроники и электротехнических изделий - пассивных и активных электронных компонентов.

Самый простой печатной плат ой является плат а , которая содержит медные проводники на одной из сторон печатной плат ы и связывает элементы проводящего рисунка только на одной из ее поверхностей. Такие плат ы известны как однослойные печатной плат ы или односторонние печатные плат ы (сокращенно - ОПП ).

На сегодняшний день, самые популярные в производстве и наиболее распространенные печатные плат ы , которые содержат два слоя, то есть, содержащие проводящий рисунок с обеих сторон плат ы – двухсторонни (двухслойные) печатные плат ы (сокращённо ДПП ). Для соединения проводников между слоями используются сквозные монтаж ные и переходные металлизированные отверстия. Тем не менее, в зависимости от физической сложности конструкции печатной плат ы , когда разводка проводников на двусторонней плат е становится слишком сложной, на производстве заказ ывается многослойные печатные плат ы (сокращённо МПП ), где проводящий рисунок формируется не только на двух внешних сторонах плат ы , но и во внутренних слоях диэлектрика. В зависимости от сложности, многослойные печатные плат ы могут быть изготовлены из 4,6, ….24 или более слоев.

Для монтаж а электронных компонентов на печатные плат ы , необходима технологическая операция - пайка, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных металлов путём введения между контактами деталей расплавленного металла - припоя, имеющего более низкую температуру плавления, чем материалы соединяемых деталей. Спаиваемые контакты деталей, а также припой и флюс вводятся в соприкосновение и подвергаются нагреву с температурой выше температуры плавления припоя, но ниже температуры плавления спаиваемых деталей. В результате, припой переходит в жидкое состояние и смачивает поверхности деталей. После этого нагрев прекращается, и припой переходит в твёрдую фазу, образуя соединение. Этот процесс можно сделать вручную или с помощью специализированной техники.

Перед пайкой, компоненты размещаются на печатной плат е выводами компонентов в сквозные отверстия плат ы и припаиваются к контактным площадкам и/или металлизированной внутренней поверхности отверстия – т.н. технология монтаж а в отверстия (THT Through Hole Technology - технология монтаж а в отверстия или др. словами - штыревой монтаж или DIP-монтаж ). Так же, все большее распространение, в особенности, в массовом и крупносерийном производстве, получила более прогрессивная технология поверхностного монтаж а - также называемая ТМП (технология монтаж а на поверхность) или SMT (surface mount technology) или SMD-технология (от surface mount device – прибор, монтируемый на поверхность). Основным ее отличием от «традиционной» технологии монтаж а в отверстия является то, что компоненты монтируются и паяются на контактные площадки (англ. land), являющиеся частью проводящего рисунка на поверхности печатной плат ы . В технологии поверхностного монтаж а , как правило, применяются два метода пайки: пайка оплавлением припойной пасты и пайка волной. Основное преимущество метода пайки волной – возможность одновременной пайки компонентов, монтируемых как на поверхность плат ы , так и в отверстия. При этом пайка волной является самым производительным методом пайки при монтаж е в отверстия. Пайка оплавлением основана на применении специального технологического материала – паяльной пасты. Она содержит три основных составляющих: припой, флюс (активаторы) и органические наполнители. Паяльная паста наносится на контактные площадки либо с помощью дозатора, либо через трафарет , затем устанавливаются электронные компоненты выводами на паяльную пасту и далее, процесс оплавления припоя, содержащегося в паяльной пасте, выполняется в специальных печах путем нагрева печатной плат ы с компонентами.

Для избежания и/или предотвращения случайного короткого замыкания проводников из разных цепей в процессе пайки, производители печатных плат применяют защитную паяльную маску (англ. solder mask; она же «зеленка») – слой прочного полимерного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Паяльная маска закрывает проводники и оставляет открытыми контактные площадки и ножевые разъемы. Наиболее распространенные цвета паяльной маски, используемые в печатных плат а х - зеленый, затем красный и синий. Следует иметь в виду, что паяльная маска не защищает плат у от влаги в процессе эксплуатации плат ы и для влагозащиты используются специальные органические покрытия.

В наиболее популярных программах систем автоматизированного проектирования печатных плат и электронных приборов (сокращённо САПР - CAM350, P-CAD, Protel DXP, SPECCTRA, OrCAD, Allegro , Expedition PCB, Genesis), как правило, существуют правила, связанные с паяльной маской. Эти правила определяют расстояние/отступ, которое необходимо соблюсти, между краем паяемой площадки и границей паяльной маски. Эта концепция иллюстрируется на рисунке 2 (а).

Шелкография или маркировка.

Маркировка (англ. Silkscreen, legend) является процессом, в котором производитель наносит информацию о электронных компонентах и которая способствует облегчить процесс сборки, проверки и ремонта. Как правило, маркировка наносится для обозначения контрольных точек, а также положения, ориентации и номинала электронных компонентов. Также она может быть использована для любых целей конструктора печатных плат , например, указать название компании, инструкцию по настройке (это широко используется в старых материнских плат а х персональных компьютеров) и др. Маркировку можно наносить на обе стороны плат ы и ее, как правило, наносят методом сеткографии(шелкография) специальной краской (с термическим или УФ отверждением) белого, желтого или черного цвета. На рисунке 2 (b) показаны обозначение и область расположения компонентов, выполненные маркировкой белого цвета.

Структура слоев в САПР

Как уже отмечалось в начале этой статьи, печатные плат ы могут быть сделаны из нескольких слоев. Когда печатная плат а разработана с помощью САПР, часто можно увидеть в структуре печатной плат ы несколько слоев, которые не соответствуют необходимым слоям с разводкой из проводящего материала (меди). Например, слои с маркировкой и паяльной маской являются непроводящими слоями. Наличие проводящих и непроводящих слоев может привести к путанице, так как производители используют термин слой, когда они имеют в виду только токопроводящие слои. С этого момента, мы будем использовать термин «слои» без «САПР», только когда речь идет о проводящих слоях. Если мы используем термин «слои САПР» мы имеем в виду все виды слоев, то есть проводящие и непроводящие слои.

Структура слоев в САПР:

На рисунке 3. показаны три различных структур слоев. Оранжевый цвет подчеркивает проводящие слои в каждой структуре. Высота структуры или толщина печатной плат ы может варьироваться в зависимости от назначения, однако наиболее часто используется толщина 1,5мм.

Типы корпусов электронных компонентов

Сегодня на рынке присутствует большое разнообразие типов корпусов электронных компонентов. Обычно, для одного пассивного или активного элемента существует несколько типов корпусов. Например, вы можете найти одну и ту же микросхему и в корпусе QFP (от англ. Quad Flat Package - семейство корпусов микросхем, имеющих планарные выводы, расположенные по всем четырём сторонам) и в корпусе LCC (от англ. Leadless Chip Carrier - представляет собой низкопрофильный квадратный керамический корпус с расположенными на его нижней части контактами).

В основном существует 3 больших семейств электронных корпусов:

Контактная площадка печатной плат ы (англ. land)

Контактная площадка печатной плат ы - часть проводящего рисунка печатной плат ы , используемая для электрического подсоединения устанавливаемых изделий электронной техники. Контактная площадка печатной плат ы представляет собой открытые от паяльной маски части медного проводника, куда и припаиваются выводы компонентов. Есть два типа площадок – контактные площадки монтаж ных отверстий для монтаж а в отверстия и планарные площадки для поверхностного монтаж а - SMD площадки. Иногда, SMD площадки с переходным отверстием очень похожи на площадки для монтаж а в отверстия.

На рисунке 4 представлены контактные площадки для 4х разных электронных компонентов. Восемь для IC1 и две для R1 SMD площадки, соответственно, а так же три площадки с отверстиями для Q1 и PW электронных компонентов.

Медные проводники

Медные проводники используется для подключения двух точек на печатной плат е -например, для подключения между двумя SMD площадками (рисунок 5.), или для подключения SMD площадки к площадке монтаж ного отверстия или для соединения двух переходных отверстия.

Проводники могут иметь разную, рассчитанную ширину в зависимости от токов, протекающих через них. Так же, на высоких частотах, необходимо рассчитывать ширину проводников и зазоры между ними, так как сопротивление, емкость и индуктивность системы проводников зависит от их длинны, ширины и их взаимного расположения.

Сквозные металлизированные переходные отверстие печатной плат ы

Когда надо соединить компонент, который находится на верхнем слое печатной плат ы с компонентом, который находится на нижнем слое, применяются сквозные металлизированные переходные отверстия, которые соединяют элементы проводящего рисунка на разных слоях печатной плат ы . Эти отверстия, позволяют току проходить сквозь печатную плат у. На рисунке 6 показаны два проводника, которые начинаются на площадках компонентов на верхнем слое и заканчивается на площадках другого компонента на нижнем слое. Для каждого проводника установлено свое переходное отверстие, проводящее ток из верхнего слоя на нижний слой.

Рисунок 6. Соединение двух микросхем через проводники и переходные металлизированные отверстия на разных сторонах печатной плат ы

На рисунке 7 более детально дано представление о поперечном сечении 4-слойных печатных плат . Здесь цветами обозначены следующие слои:

На модели печатной плат ы , на рисунке 7 показан проводник (красный), который принадлежит к верхнему проводящему слою, и который проходит сквозь плат у с помощью сквозного переходного отверстия, а затем продолжает свой путь по нижнему слою(синий).

Рисунок 7. Проводник из верхнего слоя, проходящий через печатную плат у и продолжающий свой путь на нижнем слое.

«Глухое» металлизированное отверстие печатной плат ы

В HDI (High Density Interconnect - высокая плотность соединений) печатных плат а х, необходимо использовать более чем два слоя, как это показано на рисунке 7. Как правило, в многослойных конструкциях печатной плат ы , на которых устанавливаются много интегральных микросхем, используются отдельные слои для питания и земли (Vcc или GND), и таким образом, наружные сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников. Также бывают случаи, что сигнальные проводники должны переходить от внешнего слоя (сверху или снизу) по наименьшему пути, что бы обеспечить необходимое волновое сопротивление, требования по гальванической развязке и заканчивая требованиями на устойчивость к электростатическому разряду. Для таких видов соединений используются глухие металлизированные отверстие (Blind via - «глухие» или «слепые»). Имеются в виду отверстия, соединяющие наружный слой с одним или несколькими внутренними, что позволяет сделать подключение минимальным по высоте. Глухое отверстие начинается на внешнем слое и заканчивается на внутреннем слое, поэтому оно имеет префикс «глухое».

Чтобы узнать, какое отверстие присутствует на плат е, вы можете поместить печатную плат у над источником света и посмотреть - если вы видите свет, идущий от источника через отверстие, то это переходное отверстие, в противном случае глухое.

Глухие переходные отверстия полезно использовать в конструкции плат ы , когда вы ограничены в размерах и имеете слишком мало места для размещения компонентов и разводки сигнальных проводников. Вы можете разместить электронные компоненты с обеих сторон и максимально увеличить пространство под разводку и другие компоненты. Если переходы сделаны через сквозные отверстие, а не глухие, понадобиться дополнительное пространство для отверстий т.к. отверстие занимает место с обеих сторон. В то же время глухие отверстия могут находиться под корпусом микросхемы – например для разводки больших и сложных BGA компонентов.

На рисунке 8 показаны три отверстия, которые являются частью четырехслойной печатной плат ы . Если смотреть слева направо, то первое мы увидим сквозное отверстие через все слои. Второе отверстие начинается в верхнем слое и заканчивается на втором внутреннем слое - глухое переходное отверстия L1-L2. Наконец, третье отверстие, начинается в нижнем слое и заканчивается в третьем слое, поэтому мы говорим, что это глухое переходное отверстия L3-L4.

Основным недостатком этого типа отверстия, является более высокая цена изготовления печатной плат ы с глухими отверстиями, по сравнению с альтернативными сквозными отверстиями.

Скрытые переходные отверстия

Англ. Buried via - «скрытые», «погребенные», «встроенные». Эти переходные отверстия похожи на глухие, с той разницей, что они начинаются и заканчиваются на внутренних слоях. Если мы посмотрим на рисунок 9 слева направо, мы увидим, что первое отверстие сквозное через все слои. Второе представляет собой глухое переходное отверстия L1-L2, а последнее является, скрытое переходное отверстие L2-L3, которое начинается на втором слое и заканчивается на третьем слое.

Рисунок 9. Сравнение переходного сквозного отверстие, глухого отверстия и скрытого отверстия.

Технология изготовления глухих и скрытых переходных отверстий

Технология изготовления таких отверстий может быть различной, в зависимости от той конструкции, которую заложил разработчик, и в зависимости от возможностей завод а-изготовителя. Мы будем выделять два основных вида:

Отверстие сверлится в двусторонней заготовке ДПП , металлизируется, травиться и затем эта заготовка, по сути готовая двухслойная печатная плат а , прессуется через препрег в составе многослойной заготовки печатной плат ы . Если эта заготовка находиться сверху «пирога» МПП , то мы получаем глухие отверстия, если в середине, то - скрытые переходные отверстия.

1. Отверстие сверлится в спрессованной заготовке МПП , глубина сверления контролируется, что бы точно попасть в площадки внутренних слоев, и затем происходит металлизация отверстия. Таким образом мы получаем только глухие отверстия.

В сложных конструкциях МПП могут применяться комбинации вышеперечисленных видов отверстий – рисунок 10.

Рисунок 10. Пример типовой комбинации видов переходных отверстий.

Заметим, что применение глухих отверстий иногда может привести к удешевлению проекта в целом, за счет экономии на общем количестве слоев, лучшей трассируемости, уменьшения размера печатной плат ы , а также возможности применить компоненты с более мелким шагом. Однако в каждом конкретном случае решение об их применении следует принимать индивидуально и обоснованно. Однако не следует злоупотреблять сложностью и многообразием видов глухих и скрытых отверстий. Опыт показывает, что при выборе между добавлением в проект еще одного вида несквозных отверстий и добавлением еще одной пары слоев правильнее будет добавить пару слоев. В любом случае, конструкция МПП должна быть спроектирована с учетом того, как именно она будет реализована в производстве.

Финишные металлические защитные покрытия

Получение правильных и надежных паяных соединений в электронном оборудовании зависит от многих конструктивных и технологических факторов, включая должный уровень паяемости соединяемых элементов, таких как компоненты и печатные проводники. Для сохранения паяемости печатных плат до монтаж а электронных компонентов, обеспечения плоскостности покрытия и для надежного монтаж а паяных соединений необходимо защищать медную поверхность контактных площадок печатной плат ы от окисления, так называемым финишным металлическим защитным покрытием.

При взгляде на разные печатные плат ы , можно заметить, что контактные площадки почти не когда не имеют цвет меди, зачастую и в основном это серебристые цвета, блестящий золотой или матовый серый. Эти цвета и определяют типы финишных металлических защитных покрытий.

Наиболее распространенным методом защиты паяемых поверхностей печатных плат является покрытие медных контактных площадок слоем серебристого сплава олово-свинеца (ПОС-63) - HASL. Большинство изготавливаемых печатных плат защищены методом HASL. Горячее лужение HASL - процесс горячего облуживания плат ы , методом погружения на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем и при быстрой выемке обдувкой струей горячего воздуха, убирающей излишки припоя и выравнивающей покрытие. Это покрытие доминирует в течение нескольких последних лет, несмотря на его серьезные технические ограничения. Плат ы , выпущенные таким способом, хотя и хорошо сохраняют паяемость в течение всего периода хранения, непригодны для некоторых применений. Высокоинтегрированные элементы, используемые в SMT технологиях монтаж а , требуют идеальной планарности (плоскостности) контактных площадок печатных плат . Традиционные покрытия HASL не соответствуют требованиям планарности.

Технологии нанесения покрытий, соответствующие требованиям планарности, это наносимое химическими методами покрытия:

Иммерсионное золочение (Electroless Nickel / Immersion Gold - ENIG), представляющее собой тонкую золотую пленку, наносимую поверх подслоя никеля. Функция золота - обеспечивать хорошую паяемость и защищать никель от окисления, а сам никель служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. Это покрытие гарантирует превосходную планарность контактных площадок без повреждения печатных плат , обеспечивает достаточную прочность паяных соединений, выполненных припоями на основе олова. Их главный недостаток - высокая себестоимость производства.

Иммерсионное олово (Immersion Tin - ISn) – серое матовое химическое покрытие, обеспечивающее высокую плоскостность печатных площадок плат ы и совместимое со всеми способами пайки, нежели ENIG. Процесс нанесения иммерсионного олова, схож с процессом нанесения иммерсионного золота. Иммерсионное олово обеспечивает хорошую паяемость после длительного хранения, которое обеспечивается введением подслоя органометалла в качестве барьера между медью контактных площадок и непосредственно оловом. Однако, плат ы , покрытые иммерсионным оловом, требуют осторожного обращения, должны хранится в вакуумной упаковке в шкафах сухого хранения и плат ы с этим покрытием не пригодны для производства клавиатур/сенсорных панелей.

При эксплуатации компьютеров, устройств с ножевыми разъемами, контакты ножевых разъемов, подвергаются трению при эксплуатации плат ы , поэтому, концевые контакты, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота. Гальваническое золочение ножевых разъёмов (Gold Fingers) - покрытие семейства Ni/Au, толщина покрытия: 5 -6 Ni; 1,5 – 3 мкм Au. Покрытие наносится электрохимическим осаждением (гальваника) и используется в основном для нанесения на концевые контакты и ламели. Толстое, золотое покрытие имеет высокую механическую прочность, стойкость к истиранию и неблагоприятному воздействию окружающей среды. Незаменимо там, где важно обеспечить надежный и долговечный электрический контакт.

Наша компания изготавливает печатные платы из высококачественных отечественных и импортных материалов, начиная от типового FR4 и заканчивая СВЧ-материалами ФАФ.

Типовые конструкции печатных плат основаны на применении стандартного стеклотекстолита типа FR4, с рабочей температурой от -50 до +110 °C, и температурой стеклования Tg (размягчения) около 135 °C.

При повышенных требованиях к термостойкости или при монтаже плат в печи по бессвинцовой технологии (t до 260 °C) применяется высокотемпературный FR4 High Tg или FR5.

Базовые материалы для печатных плат:

"+" - Как правило, в наличии

"+/-" - По запросу (имеется в наличии не всегда)

Препрег ("связующий" слой) для многослойных печатных плат

FR-4

Стеклотекстолит фольгированный с номинальной толщиной 1,6 мм, облицованный медной фольгой толщиной 35 мкм с одной или двух сторон. Стандартный FR-4 толщиной 1,6 мм состоит из восьми слоев ("препрегов") стеклотекстолита. На центральном слое обычно находится логотип производителя, цвет его отражает класс горючести данного материала (красный - UL94-VO, синий - UL94-HB). Обычно, FR-4 - прозрачен, стандартный зелёный цвет определяется цветом паяльной маски, нанесённой на законченную печатную плату

• объемное электрическое сопротивление после кондиционирования и восстановления (Ом х м): 9,2 х 1013;
• поверхностное электрическое сопротивление (Ом): 1,4 х1012;
• прочность на отслаивание фольги после воздействия гальванического раствора (Н/мм): 2,2;
• горючесть (вертикальный метод испытания): класс Vо.

МИ 1222

представляет собой слоистый прессованный материал на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим, облицованный с одной или двух сторон медной электролитической фольгой.

• поверхностное электрическое сопротивление (Ом): 7 х 1011;
• удельное объемное электрическое сопротивление (Ом): 1 х 1012;
• диэлектрическая проницаемость (Ом х м): 4,8;
• прочность на отслаивание фольги (Н/мм): 1,8.

ФАФ-4Д

представляют собой армированный стеклотканью фторопласт, облицованный с обеих сторон медной фольгой. Применение:- в качестве оснований печатных плат работающих в диапазоне СВЧ; - электрическая изоляция для печатных элементов приемно-передающей аппаратуры;- способны длительно работать в интервале температур от +60 до +250° С.

• Прочность сцепления фольги с основанием на полоску 10 мм, Н (кгс), не менее 17,6(1,8)
• Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц, не более7 х 10-4
• Диэлектрическая проницаемость при частоте 1 МГц 2,5 ± 0,1
• Выпускаемые размеры листов, мм (предельное отклонение по ширине и длине листа 10 мм.) 500х500

T111

материал из теплопроводящего полимера на основе керамики с алюминиевым основанием, используются в том случае, когда предполагается использовать компоненты, выделяющие значительную тепловую мощность (например сверхяркие светодиоды, лазерные излучатели и т.д.). Основными свойствами материала являются отличное рассеяние тепла и повышенная электрическая прочность диэлектрика при воздействии высоких напряжений:

• Толщина алюминиевого основания - 1.5 мм
• Толщина диэлектрика - 100 мкм
• Толщина медной фольги - 35 мкм
• Теплопроводность диэлектрика - 2.2 W/mK
• Тепловое сопротивление диэлектрика - 0.7°C/W
• Теплопроводность алюминиевой подложки (5052 - аналог АМг2,5) - 138 W/mK
• Напряжение пробоя - 3 KV
• Температура стеклования (Tg) - 130
• Объёмное сопротивление - 108 MΩ×см
• Поверхностное сопротивление - 106 MΩ
• Наибольшее рабочее напряжение(CTI) - 600V

Защитные паяльные маски, применяемые при производстве печатных плат

Паяльная маска (она же «зеленка») - слой прочного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Маска закрывает проводники и оставляет открытыми контактные площадки и ножевые разъемы. Способ нанесения паяльной маски аналогичен нанесению фоторезиста - при помощи фотошаблона с рисунком площадок нанесённый на ПП материал маски засвечивается и полимеризуется, участки с площадками для пайки оказываются незасвеченными и маска смывается с них после проявки. Чаще всего паяльная маска наносится на слой меди. Поэтому перед её формированием защитный слой олова снимают - иначе олово под маской вспучится от нагревания платы при пайке.

PSR-4000 H85

Зеленого цвета, жидкая фоточувствительная термотверждаемая, толщиной 15-30 мкм, фирмы TAIYO INK (Япония).

Имеет одобрение на использование следующих организаций и производителей конечных изделий: NASA, IBM, Compaq, Lucent, Apple, AT&T, General Electric, Honeywell, General Motors, Ford, Daimler-Chrysler, Motorola, Intel, Micron, Ericsson, Thomson, Visteon, Alcatel, Sony, ABB, Nokia, Bosch, Epson, Airbus, Philips, Siemens, HP, Samsung, LG, NEC, Matsushita(Panasonic), Toshiba, Fujitsu, Mitsubishi, Hitachi, Toyota, Honda, Nissan и многих-многих других;

IMAGECURE XV-501

Цветная (красная, чёрная, синяя, белая), жидкая двухкомпонентная паяльная маска, фирмы Coates Electrografics Ltd (Англия), толщина 15-30 мкм;

DUNAMASK KM

Сухая, пленочная маска фирмы DUNACHEM (Германия), толщина 75 мкм, обеспечивает тентирование переходных отверстий, обладает высокой адгезией.

В качестве основания используют фольгированные и нефольгированные диэлектрики (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, стеклоткань, лавсан, полиамид, фторопласт и др.), керамические материалы, металлические пластины, изоляционный прокладочный материал (препрег).

Фольгированные диэлектрики представляют собой электроизоляционные основания, плакированные обычно электролитической медной фольгой с оксидированным гальваностойким слоем, прилегающим к электроизоляционному основанию. В зависимости от назначения фольгированные диэлектрики могут быть односторонними и двусторонними и иметь толщину от 0,06 до 3,0 мм.

Нефольгированные диэлектрики, предназначенные для полуаддитивного и аддитивного методов производства плат, имеют на поверхности специально нанесенный адгезивный слой, который служит для лучшего сцепления химически осаждаемой меди с диэлектриком.

Основания ПП изготовляются из материала, способного хорошо сцепляться с металлом проводников; иметь диэлектрическую проницаемость не более 7 и малый тангенс угла диэлектрических потерь; обладать достаточно высокой механической и электрической прочностью; допускать возможность обработки резанием, штамповкой и сверлением без образования сколов, трещин и расслоения диэлектрика; сохранять свои свойства при воздействии климатических факторов, обладать негорючестью и огнестойкостью; обладать низким водопоглощением, низким значением теплового коэффициента линейного расширения, плоскостностью, а также устойчивостью к агрессивным средам в процессе создания рисунка схемы и пайки.

Материалы основания - это слоистые прессованные пластины, пропитанные искусственной смолой и возможно облицованные с одной или двух сторон медной электролитической фольгой. Фольгированные диэлектрики применяются в субтрактивных методах изготовления ПП, нефольгированные - в аддитивных и полуаддитивных. Толщина токопроводящего слоя может быть 5, 9, 12, 18, 35, 50, 70 и 100 мкм.

В производстве применяют материалы, например, для ОПП и ДПП - стеклотекстолит фольгированный марок СФ-1-50 и СФ-2-50 с толщиной медной фольги 50 мкм и собственной толщиной от 0,5 до 3.0 мм; для МПП - фольгированный травящийся стеклотекстолит ФТС-1-18А и ФТС-2-18А с толщиной медной фольги 18 мкм и собственной толщиной от 0,1 до 0,5 мм; для ГПП и ГПК - фольгированный лавсан ЛФ-1 с толщиной медной фольги 35 или 50 мкм и собственной толщиной от 0,05 до 0,1 мм.

По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение. Однако у них есть ряд недостатков, например, невысокая нагревостойкость по сравнению с полиамидами, что способствует загрязнению смолой торцов внутренних слоев при сверлении отверстий.

Для изготовления ПП, обеспечивающих надежную передачу наносекундных импульсов, необходимо применять материалы с улучшенными диэлектрическими свойствами, к ним относят ПП из органических материалов с относительной диэлектрической проницаемостью ниже 3,5.

Для изготовления ПП, эксплуатируемых в условиях повышенной опасности возгорания, применяют огнестойкие материалы, например, стектотекстолиты марок СОНФ, СТНФ, СФВН, СТФ.

Для изготовления ГПК, выдерживающих многократные изгибы на 90 в обе стороны от исходного положения с радиусом 3 мм, применяют фольгированный лавсан и фторопласт. Материалы с толщиной фольги 5 мкм позволяют изготовить ПП 4-го и 5-го классов точности.

Изоляционный прокладочный материал применяют для склеивания слоев ПП. Их изготавливают из стеклоткани, пропитанной недополимеризированной термореактивной эпоксидной смолой с нанесенным с двух сторон адгезионным покрытием.

Для защиты поверхности ПП и ГПК от внешних воздействий применяют полимерные защитные лаки и покрывные защитные пленки.

Керамические материалы характеризуются стабильностью электрических и геометрических параметров; стабильной высокой механической прочностью в широком диапазоне температур; высокой теплопроводностью; низким влагопоглощением. Недостатками являются длительный цикл изготовления, большая усадка материала, хрупкость, высокая стоимость и др.

Металлические основания применяются в теплонагруженных ПП для улучшения отвода тепла от ИМС и ЭРЭ в ЭА с большой токовой нагрузкой, работающих при высоких температурах, а также для повышения жесткости ПП, выполненных на тонких основаниях; их изготавливают из алюминия, титана, стали и меди.

Для печатных плат с высокой плотностью монтажа и с микропереходами применяют материалы, пригодные для обработки лазером. Эти материалы можно разделить на две группы:

1. Упрочненные нетканые стекломатериалы и преприги (композиционный материал на основе тканей, бумаги, непрерывных волокон, пропитанный смолой в неотвержденном состоянии) с заданной геометрией и распределением нити; органические материалы с неориентированным расположением волокон Преприг для лазерной технологии имеет меньшую толщину стеклоткани по оси Z по сравнению со стандартной стеклотканью.

2. Неупрочненные материалы (медная фольга покрытая смолой, полимеризованная смола), жидкие диэлектрики и диэлектрики с нанесенной сухой пленкой.

Из других материалов, используемых при изготовлении печатных плат, наиболее широко применяют никель и серебро в качестве металлического резиста, для обеспечения пайки, сварки. Кроме того, используется целый ряд других металлов и сплавов (например, олово - висмут, олово - индий, олово - никель и т.д.), назначение которых - обеспечение избирательной защиты или низкого контактного сопротивления, улучшение режимов пайки. Дополнительные покрытия, увеличивающие электропроводность печатных проводников, в большинстве случаев выполняют гальваническим осаждением, реже - способами вакуумной металлизации и горячего лужения.

До недавнего времени фольгированные диэлектрики на основе эпоксидно-фенольных смол, а также применяемые в ряде случаев диэлектрики на основе полиимидных смол удовлетворяли основным требованиям изготовителей печатных плат. Необходимость улучшения теплоотвода от ИМС и БИС, требования низкой диэлектрической проницаемости материала платы для быстродействующих схем, важность согласования коэффициентов термического расширения материала платы, корпусов ИМС и кристаллоносителей, широкое внедрение современных методов монтажа привели к необходимости разработки новых материалов. Широкое применение в современных конструкциях технических средств ЭВМ находят МПП на основе керамики. Применение керамических подложек для изготовления печатных плат обусловлено прежде всего использованием высокотемпературных способов создания проводящего рисунка с минимальной шириной линий, однако используются и другие преимущества керамики (хорошая теплопроводность, согласование по коэффициенту термического расширения с корпусами ИМС и носителями и т.п.). При изготовлении керамических МПП наиболее широко используется толстопленочная технология.

В керамических основаниях в качестве исходных материалов широко применяются оксиды алюминия и бериллия, а также нитрид алюминия и карбид кремния.

Основным недостатком керамических плат является ограниченность их размеров (обычно не более 150x150 мм), что обусловлено в основном хрупкостью керамики, а также сложностью достижения необходимого качества.

Формирование проводящего рисунка (проводников) осуществляется трафаретной печатью. В качестве материалов проводников в керамических платах подложечного вида используются пасты, состоящие из металлических порошков, органического связующего вещества и стекла. Для проводниковых паст, которые должны обладать хорошей адгезией, способностью выдерживать многократную термообработку, низким удельным электрическим сопротивлением, применяются порошки благородных металлов: платины, золота, серебра. Экономические факторы заставляют применять также пасты на основе композиций: палладий - золото, платина - серебро, палладий - серебро и др.

Изоляционные пасты изготавливаются на основе кристаллизующихся стекол, стеклокристаллических цементов, стеклокерамики. В качестве материалов проводников в керамических платах пакетного вида используются пасты, изготовленные на основе порошков тугоплавких металлов: вольфрама, молибдена и др. В качестве основания заготовки и изоляторов применяются ленты из сыров керамики на основе оксидов алюминия и бериллия, карбида кремния, нитрида алюминия.

Металлические жесткие основания, покрытые диэлектриком, характеризуются (как и керамические) высокотемпературным вжиганием в подложку толстопленочных паст на основе стекол и эмалей. Особенности плат на металлическом основании - повышенная теплопроводность, конструкционная прочность и ограничения по быстродействию из-за сильной связи проводников с металлическим основанием.

Широкое применение находят пластины из стали, меди, титана, покрытые смолой или легкоплавким стеклом. Однако наиболее совершенным по комплексу показаний является анодированный алюминий и его сплавы с достаточно толстым слоем оксида. Анодированный алюминий применяется также для тонкопленочной многослойной разводки плат.

Перспективно применение в печатных платах оснований со сложной составной структурой, включая металлические прокладки, а также оснований из термопластиков.

Основания из фторопласта со стекловолокном используются в быстродействующих схемах. Различные композиционные основания из "кевлара и кварца" а также медь - инвар - медь используются в тех случаях, когда необходимо иметь термический коэффициент расширения, близкий к коэффициенту расширения оксида алюминия, например в случае монтажа на плату различных керамических кристаллоносителей (микрокорпусов). Сложные подложки на основе полиимида используются главным образом в мощных схемах или при высокотемпературных применениях печатных плат.

Физико-механические свойства ма­териалов должны удовлетворять уста­новленным ТУ и обеспечивать качест­венное изготовление ПП в соответст­вии с типовыми ТП. Для изготовле­ния плат применяют слоистые плас­тики – фольгированные диэлектрики, плакированные электролитической медной фольгой толщиной 5, 20, 35, 50, 70 и 105 мкм с чистотой меди не менее 99,5 %, шероховатостью поверх­ности не менее 0,4–0,5 мкм, которые поставляются в виде листов размера­ми 500×700 мм и толщиной 0,06–3 мм. Слоистые пластики должны об­ладать высокой химической и терми­ческой стойкостью, влагопоглощением не более 0,2–0,8 %, выдерживать термоудар (260°С) в течение 5–20с. Поверхностное сопротивление диэлектриков при 40°С и относительной влажности 93 % в течение 4 сут. долж­но быть не менее 10 4 МОм. Удельное объемное сопротивление диэлектри­ка – не менее 5·10 11 Ом·см. Проч­ность сцепления фольги с основанием (полоска шириной 3мм) – от 12 до 15 МПа. В качестве основы в слоистых пла­стиках используют гетинакс , представ­ляющий собой спрессованные слои электроизоляционной бумаги, пропи­танные фенольной смолой, стеклотекстолиты – спрессованные слои стекло­ткани, пропитанные эпоксифенольнои смолой, и другие материалы (табл. 2.1).

Табл.2.1. Основные материалы для изготовления плат.

Гетинакс, обладая удовлетворитель­ными электроизоляционными свойст­вами в нормальных климатических условиях, хорошей обрабатываемо­стью и низкой стоимостью, нашел применение в производстве бытовой РЭА. Для ПП, эксплуатируемых в сложных климатических условиях с широким диапазоном рабочих темпе­ратур (– 60...+180°С) в составе элек­тронно-вычислительной аппаратуры, техники связи, измерительной техни­ки, применяют более дорогие стекло текстолиты. Они отличаются широ­ким диапазоном рабочих температур, низким (0,2 – 0,8 %) водопоглощением, высокими значениями объемного и поверхностного сопротивлений, стой­костью к короблению. Недостатки– возможность отслаивания фольги при термоударах, наволакивание смолы при сверлении отверстий. Повышение огнестойкости диэлектриков (ГПФ, ГПФВ, СПНФ, СТНФ), используемых в блоках питания, достигается введе­нием в их состав антипиренов (напри­мер, тетрабромдифенилпропана).

Для изготовления фольгированных диэлектриков используется в основном электролитическая медная фольга, од­на сторона которой должна иметь гладкую поверхность (не ниже вось­мого класса чистоты) для обеспечения точного воспроизведения печатной схе­мы, а другая должна быть шерохова­той с высотой микронеровностей не менее 3 мкм для хорошей адгезии к диэлектрику. Для этого фольгу под­вергают оксидированию электрохимическим путем в растворе едкого натра. Фольгирование диэлектриков осуще­ствляют прессованием при температу­ре 160 – 180°С и давлении 5 –15 МПа.

Керамические материалы характери­зуются высокой механической проч­ностью, которая незначительно изме­няется в диапазоне температур 20–700°С, стабильностью электрических и геометрических параметров, низки­ми (до 0,2%) водопоглощением и газовыделением при нагреве в вакууме, однако являются хрупкими и имеют высокую стоимость.

В качестве металлической основы плат используют сталь и алюминий. На стальных основаниях изолирова­ние токоподводящих участков осуще­ствляют с помощью специальных эма­лей, в состав которых входят оксиды магния, кальция, кремния, бора, алю­миния или их смеси, связка (поливинилхлорид, поливинилацетат или метилметакрилат) и пластификатор. Пленку наносят на основание путем прокатки между вальцами с последующим вжиганием. Изолирующий слой толщиной от нескольких десятков до сотен микрометров с сопротивлением изоляции 10 2 – 10 3 МОм на поверхно­сти алюминия получают анодным ок­сидированием. Теплопроводность ано­дированного алюминия 200 Вт/(м·К), а стали – 40 Вт/(м·К). В качестве основы для ПП СВЧ-диапазона используют неполярные (фто­ропласт, полиэтилен, полипропилен) и полярные (полистирол, полифениленоксид) полимеры. Для изготовления микроплат и микросборок СВЧ-диапазона применяют также керамиче­ские материалы, имеющие стабильные электрические характеристики и гео­метрические параметры.

Полиамидная пленка используется для изготовления гибких плат, обла­дающих высокой прочностью на рас­тяжение, химической стойкостью, не­сгораемостью. Она имеет наиболее высокую среди полимеров темпера­турную устойчивость, так как не теря­ет гибкости от температур жидкого азота до температур эвтектической пайки кремния с золотом (400°С). Кроме того, она характеризуется низ­ким газовыделением в вакууме, радиа­ционной стойкостью, отсутствием на­волакивания при сверлении. Недос­татки – повышенное водопоглощение и высокая стоимость.

Формирование рисунка схемы.

Нанесение рисунка схемы или за­щитного рельефа требуемой конфигу­рации необходимо при осуществлении процессов металлизации и травления. Рисунок должен иметь четкие грани­цы с точным воспроизведением тон­ких линий, быть стойким к травиль­ным растворам, не загрязнять платы и электролиты, легко сниматься после выполнения своих функций. Перенос рисунка печатного монтажа на фольгированный диэлектрик осуществляют методами сеткографии, офсетной пе­чати и фотопечати. Выбор метода за­висит от конструкции платы, требуе­мой точности и плотности монтажа, серийности производства.

Сеткографический метод нанесения рисунка схемы наиболее рентабелен для массового и крупносерийного производства плат при минимальной ширине проводников и расстоянии между ними > 0,5 мм, точность вос­произведения изображения ±0,1 мм. Суть заключается в нанесении на пла­ту специальной кислотостойкой крас­ки путем продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, в котором необходимый ри­сунок образован открытыми ячейками сетки (рис. 2.4).

Для изготовления трафарета ис­пользуют металлические сетки из не­ржавеющей стали с толщиной прово­локи 30–50 мкм и частотой плетения 60–160 нитей на 1 см, металлизиро­ванного нейлонового волокна, имею­щего лучшую эластичность, с толщи­ной нити 40 мкм и частотой плетения до 200 нитей на 1 см, а также из по­лиэфирных волокон и капрона

Од­ним из недостатков сеток является их растяжение при многократном использовании. Самой большой стойкостью обладают сетки из нержавеющей стали (до 20 тыс. отпечатков), метал­лизированных пластмасс (12 тыс.), по­лиэфирных волокон (до 10 тыс.), ка­прона (5 тыс.).

Рис. 2.4. Принцип трафаретной печати.

1 – ракель; 2 – трафарет; 3 – краска; 4 – основание.

Изображение на сетке получают с помощью экспонирования жидкого или сухого (пленочного) фоторезиста, после проявления которого образуют­ся открытые (свободные от рисунка) ячейки сетки. Трафарет в сеткографи­ческой раме устанавливают с зазором 0,5–2 мм от поверхности платы так, чтобы контакт сетки с поверхностью платы был только в зоне нажатия на сетку ракелем. Ракель представляет собой прямоугольную заточенную по­лосу резины, установленную по отно­шению к подложке под углом 60–70°.

Для получения рисунка ПП исполь­зуют термоотверждающиеся краски СТ 3.5;

СТ 3.12, которые сушат либо в термошкафу при температуре 60°С в течение 40 мин, либо на воздухе в те­чение 6 ч, что удлиняет процесс сеткографии. Более технологичными яв­ляются фотополимерные композиции ЭП-918 и ФКП-ТЗ с ультрафиолетовым отверждением в течение 10–15с, что является решающим фактором при автоматиза­ции процесса. При однократном на­несении покрытие зеленого цвета имеет толщину 15–25 мкм, воспроиз­водит рисунок с шириной линий и за­зорами до 0,25 мм, выдерживает погружение в расплав припоя ПОС-61 при температуре 260°С до 10 с, воз­действие спиртобензиновой смеси до 5 мин и термоциклирование в интер­вале температур от – 60 до +120 °С. После нанесения рисунка плату про­сушивают при температуре 60 °С в те­чение 5–8 мин, контролируют качест­во и при необходимости подвергают ретуши. Удаление защитной маски после травления или металлизации осуществляют химическим методом в 5 %-м растворе едкого натра в течение 10–20 с.

Табл. 2.2. Оборудование для трафаретной печати.

Для трафаретной печати использу­ют полуавтоматическое и автоматиче­ское оборудование, отличающееся фор­матом печати и производительностью (табл. 2.2). Автоматические линии тра­фаретной печати фирм Chemcut (США), Resco (Италия) имеют авто­матические системы подачи и уста­новки плат, движения ракеля и пода­чи резиста. Для сушки резиста приме­няют ИК-печитуннельного типа.

Офсетная печать применяется для крупносерийного производства ПП при малой номенклатуре схем. Разре­шающая способность 0,5–1 мм, точ­ность получаемого изображения со­ставляет ±0,2 мм. Суть метода в том, что в клише, несущее изображение схемы (печатные проводники, кон­тактные площадки), закатывается краска. Затем она снимается офсетным валиком, покрытым резиной, пе­реносится, на изоляционное основание и подвергается сушке. Клише и осно­вание платы располагаются друг за другом на основании машины для оф­сетной печати (рис. 2.5)

Рис.2.5. Схема офсетной печати.

1 – офсетный валик; 2 – клише; 3 – плата;

4 – валик для нанесения краски; 5 – прижимной валик.

Точность печати и резкость конту­ров определяются параллельностью валика и основания, типом и конси­стенцией краски. С помощью одного клише можно выполнить неограни­ченное число оттисков. Производи­тельность метода ограничена длитель­ностью колебательного цикла (нанесе­ние краски – перенос) и не превыша­ет 200–300 оттисков в час. Недостат­ки метода: длительность процесса изготовления клише, сложность измене­ния рисунка схемы, трудность получе­ния беспористых слоев, высокая стои­мость оборудования.

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 беспористым 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 фо­торезисты 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 (рис. 2.6, а).

Рис.2.6. Экспонирование светочувствительного слоя:

а – экспонирование; б – негативный фоторезист; в – позитивный фоторезист;

1 –дифракция; 2 –рассеяние; 3 –отражение; 4 –шаблон; 5 – резист; 6 – подложка.

В негативном фоторезисте дифрак­ция не играет заметной роли, по­скольку шаблон плотно прижат к резисту, но в результате отражения во­круг защитных участков появляется ореол, который снижает разрешаю­щую способность (рис. 2.6, б). В слое позитивного резиста под влиянием дифракции разрушится и вымоется при проявлении только верхняя об­ласть резиста 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 (рис. 2.6, в).

В настоящее время в промышлен­ности используются жидкие и сухие (пленочные) фоторезисты. Жидкие фоторезисты – коллоидные растворы синтетических полимеров, в частности поливинилового спирта (ПВС). Наличие гидроксильной груп­пы ОН в каждом звене цепи опреде­ляет высокую гигроскопичность и по­лярность поливинилового спирта. При добавлении к водному раствору ПВС бихромата аммония происходит «очув­ствление» последнего. Фоторезист на основе ПВС наносят на предваритель­но подготовленную поверхность пла­ты путем окунания заготовки, поли­вом с последующим центрифугирова­нием. Затем слои фоторезиста сушат в термошкафу с циркуляцией воздуха при температуре 40°С в течение 30–40 мин. После экспонирования осу­ществляется проявление фоторезиста в теплой воде. Для повышения хими­ческой стойкости фоторезиста на ос­нове ПВС применяют химическое дубление рисунка ПП в растворе хромового ангидрида, а затем термиче­ское дубление при температуре 120°С в течение 45–50 мин. Раздубливание (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 °С.

Достоинства фоторезиста на основе ПВС – 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 кислото- и щелочеустойчивость, трудность автома­тизации процесса получения рисунка, трудоемкость приготовления фоторезиста, низкую чувствительность.

Улучшение свойств жидких фоторе­зистов (устранение дубления, повы­шение кислотостойкости) достигается в фоторезисте на основе циннамата. Светочувствительным компонентом фо­торезиста этого типа является поливинилциннамат (ПВЦ) – продукт взаи­модействия поливинилового спирта и хлорангидрида коричной кислоты. Разрешающая способность его при­мерно 500 лин/мм, проявление осуще­ствляется в органических растворите­лях – трихлорэтане, толуоле, хлор­бензоле. Для интенсификации про­цесса проявления и удаления фоторе­зиста ПВЦ используют ультразвуко­вые колебания. Диффузия в УЗ-поле сильно ускоряется за счет акустиче­ских микропотоков, а образующиеся кавитационные пузырьки при захло­пывании отрывают участки фоторези­ста от платы. Время проявления со­кращается до 10 с, т. е. в 5–8 раз по сравнению с обычной технологией. К недостаткам фоторезиста ПВЦ от­носятся его высокая стоимость, ис­пользование токсичных органических растворителей. Поэтому резисты ПВЦ не нашли широкого применения в изготовлении ПП, а используются глав­ным образом при изготовлении ИМС.

Фоторезисты на основе диазосоединений применяют в основном как по­зитивные. Светочувствительность диазосоединений обусловлена наличием в них групп, состоящих из двух атомов азота N 2 (рис. 2.7).

Рис.2.7. Молекулярные связи в структуре диазосоединений.

Сушка слоя фото­резиста проводится в две стадии:

– при температуре 20°С в течение 15–20 мин для испарения легколетучих компо­нентов;

– в термостате с циркуляцией воздуха при температуре 80 °С в те­чение 30–40 мин.

Проявителями яв­ляются растворы тринатрийфосфата, соды, слабых щелочей. Фоторезисты ФП-383, ФН-11 на основе диазосоединений имеют разрешающую способ­ность 350–400 лин/мм, высокую хи­мическую стойкость, однако стои­мость их высока.

Сухие пленочные фоторезисты марки Riston впервые разработаны в 1968 г. фирмой Du Pont (США) и имеют тол­щину 18 мкм (красный цвет), 45 мкм (голубой) и 72 мкм (рубиновый). Су­хой пленочный фоторезист марки СПФ-2 выпускается с 1975 г. толщи­ной 20, 40 и 60 мкм и представляет собой полимер на основе полиметилметакрилата 2 (рис.2.8), расположен­ный между полиэтиленовой 3 и лавса­новой / пленками толщиной 25 мкм каждая.

Рис.2.8. Структура сухого фоторезиста.

В СНГ выпускаются следующие типы сухих пленочных фоторезистов:

– проявляемые в органических веще­ствах – СПФ-2, СПФ-АС-1, СРФ-П;

– водно-щелочные – СПФ-ВЩ2, ТФПК;

– повышенной надежности – СПФ-ПНЩ;

– защитные – СПФ-З-ВЩ.

Перед накаткой на поверхность ос­нования ПП защитная пленка из по­лиэтилена удаляется и сухой фоторе­зист наносится на плату валиковым методом (плакирование, ламинирова­ние) при нагреве до 100°С со скоро­стью до 1 м/мин с помощью специ­ального устройства, называемого ла­минатором. Сухой резист полимеризуется под действием ультрафиолетового излучения, максимум его спектраль­ной чувствительности находится в об­ласти 350 нм, поэтому для экспониро­вания используют ртутные лампы. Проявление осуществляется в маши­нах струйного типа в растворах метилхлорида, диметилформамида.

СПФ-2 – сухой пленочный фоторе­зист, аналогичный по свойствам фото­резисту Riston, допускает обработку как в кислых, так и в щелочных сре­дах и используется при всех методах изготовления ДПП. При его примене­нии необходима герметизация обору­дования для проявления. СПФ-ВЩ обладает более высокой разрешающей способностью (100–150 линий/мм), стоек в кислой среде, обрабатывается в щелочных растворах. В состав фото­резиста ТФПК (в полимеризующую композицию) входит метакриловая ки­слота, улучшающая эксплуатационные характеристики. Для него не требуется термообработка защитного рельефа перед нанесением гальванопокрытия. СПФ-АС-1 позволяет получать рису­нок ПП как по субтрактивной, так и по аддитивной технологии, поскольку он стоек и в кислых, и в щелочных средах. Для улучшения адгезии свето­чувствительного слоя к медной под­ложке в состав композиции введен бензотриазол.

Применение сухого фоторезиста зна­чительно упрощает процесс изготовле­ния ПП, увеличивает процент выхода годных изделий с 60 до 90 %. При этом:

– исключаются операции сушки, дубления и ретуширования, а также за­грязнения, нестабильность слоев;

– обес­печивается защита металлизированных отверстий от затекания фоторезиста;

– достигается высокая автоматизация и механизация процесса изготовления ПП и контроля изображения.

Установка для нанесения сухого пленочного фоторезиста – ламинатор (рис.2.9) состоит из валиков 2, по­дающих плату 6 и прижимающих фо­торезист к поверхности заготовок, ва­ликов 3 и 4 для снятия защитной по­лиэтиленовой пленки, бобины с фоторезистом 5, нагревателя 1 с терморегу­лятором.

Рис.2.9. Схема ламинатора.

Скорость движения заготов­ки платы достигает 0,1 м/с, температу­ра нагревателя (105 ±5) °С. Конструкция установки АРСМ 3.289.006 НПО «Ратон» (Беларусь) обеспечивает постоянное усилие прижатия независи­мо от зазора, устанавливаемого между валиками-нагревателями. Максималь­ная ширина заготовки ПП 560 мм. Особенностью накатывания является опасность попадания пыли под слой фоторезиста, поэтому установка долж­на работать в гермозоне. Накатанная пленка фоторезиста выдерживается не менее 30 мин перед экспонированием для завершения усадочных процессов, которые могут вызвать искажение ри­сунка и уменьшить адгезию.

Проявление рисунка осуществляет­ся в результате химического и механи­ческого воздействия метилхлороформа. За оптимальное время проявления принимается время, в 1,5 раза боль­шее, чем необходимо для полного удаления незадубленного СПФ. Каче­ство операции проявления зависит от пяти факторов: времени проявления, температуры проявления, давления проявителя в камере, загрязнения про­яви геля, степени окончательной про­мывки. По мере накопления в прояви­теле растворенного фоторезиста ско­рость проявления замедляется. После проявления плату необходимо отмыть водой до полного удаления остатков растворителя. Продолжительность опе­рации проявления СПФ-2 при темпе­ратуре проявителя 14–18°С, давлении раствора в камерах 0,15МПа и скоро­сти движения конвейера 2,2 м/мин со­ставляет 40–42 с.

Удаление и проявление фоторезиста осуществляется в машинах струйного типа (ГГМЗ.254.001, АРСМЗ.249.000) в хлористом метилене. Это сильный растворитель, поэтому операция сня­тия фоторезиста должна выполняться быстро (за 20–30 с). В установках пре­дусматривается замкнутый цикл ис­пользования растворителей, после оро­шения плат растворители поступают в дистиллятор, а затем чистые раствори­тели переключаются на повторное ис­пользование.

Экспонирование фоторезиста пред­назначено для инициирования в нем фотохимических реакций и проводит­ся в установках, имеющих источники света (сканирующие или неподвиж­ные) и работающие в ультрафиолето­вой области. Для плотного прилега­ния фотошаблонов к заготовкам плат используют рамы, где создается раз­режение. Установка экспонирования СКЦИ.442152.0001 НПО «Ратон» при рабочем поле загрузочных рам 600×600 мм обеспечивает производитель­ность 15 плат/ч. Время экспозиции ртутной лампой ДРШ-1000 1–5 мин. После экспонирования для заверше­ния темновой фотохимической реак­ции необходима выдержка при ком­натной температуре в течение 30 мин перед удалением лавсановой защит­ной пленки.

Недостатки сухого фоторезиста – не­обходимость приложения механическо­го усилия при накатке, что недопусти­мо для ситалловых подложек, пробле­ма утилизации твердых и жидких от­ходов. На каждые 1000 м 2 материала образуется до 40 кг твердых и 21 кг жидких отходов, утилизация которых является экологической проблемой.

Для получения проводящего рисун­ка на изоляционном основании как сеткографическим, так и фотохимиче­ским способом необходимо применять фотошаблоны, представляющие собой графическое изображение рисунка в масштабе 1:1 на фотопластинках или фотопленке. Фотошаблоны выполня­ют в позитивном изображении при наращивании проводящих участков на лентах и в негативном изображении, когда проводящие участки получают травлением меди с пробельных мест.

Геометрическая точность и качество рисунка ПП обеспечиваются в первую очередь точностью и качеством фото­шаблона, который должен иметь:

– контрастное черно-белое изображе­ние элементов с четкими и ровными границами при оптической плотности черных полей не менее 2,5 ед., прозрачных участков не более 0,2 ед., измеренной на денситомере типа ДФЭ-10;

– минимальные дефекты изображения (темные точки на пробельных местах, прозрачные точки на черных полях), которые не превышают 10–30 мкм;

– точность элементов выполнения рисунка ±0,025 мм.

В большей степени перечисленным требованиям удовлетворяют сверхкон­трастные фотопластинки и пленки «Микрат-Н» (СССР), фотопластинки типа ФТ-41П (СССР), РТ-100 (Япо­ния) и Agfalit (Германия).

В настоящее время применяются два основных способа получения фо­тошаблонов: фотографирование их с фотооригиналов и вычерчивание све­товым лучом на фотопленке с помо­щью координатографов с программ­ным управлением либо лазерным лу­чом. При изготовлении фотооригина­лов рисунок ПП выполняют в увели­ченном масштабе (10:1, 4:1, 2:1) на малоусадочном материале путем вы­черчивания, изготовления аппликаций или резания по эмали. Способ аппли­кации предусматривает наклеивание заранее подготовленных стандартных элементов на прозрачную основу (лав­сан, стекло и др.). Первый способ ха­рактеризуется низкой точностью и большой трудоемкостью, поэтому используется в основном для макетных образцов плат.

Резание по эмали применяют для ПП с высокой плотностью монтажа. Для этого полированное листовое стекло покрывают непрозрачным сло­ем эмали, а вырезание рисунка схемы осуществляют на координатографе с ручным управлением. Точность полу­чения рисунка 0,03–0,05 мм.

Изготовленный фотооригинал фо­тографируют с необходимым умень­шением на высококонтрастную фотопластину с помощью фоторепродук­ционных полиграфических камер типа ПП-12, ЭМ-513, Klimsch (Германия) и получают фотошаблоны, которые могут быть контрольными и рабочи­ми. Для тиражирования и изготовле­ния рабочих, одиночных, а также групповых фотошаблонов применяют метод контактной печати с негатив­ной копии контрольного фотошабло­на. Операция выполняется на мульти­пликаторе модели АРСМ 3.843.000 с точностью ±0,02 мм.

Недостатки такого метода – боль­шая трудоемкость получения фото­оригинала, требующего высококвали­фицированного труда, и трудность равномерного освещения фотоориги­налов значительной площади, что снижает качество фотошаблонов.

Возрастающая сложность и плот­ность рисунка ПП, необходимость увеличения производительности труда привели к разработке метода изготов­ления фотошаблонов сканирующим лучом непосредственно на фотоплен­ке. Для изготовления фотошаблона световым лучом разработаны коорди­натографы с программным управлени­ем. С переходом на машинное проек­тирование плат необходимость вычер­чивания чертежа отпадает, так как по­лученная с ЭВМ перфолента с коор­динатами проводников вводится в считывающее устройство координато­графа, на котором автоматически вы­полняется фотошаблон.

Координатограф (рис. 2.10) состоит из вакуумного стола 8, на котором за­крепляют фотопленку, фотоголовки и блока управления /. Стол перемеща­ется с высокой точностью в двух вза­имно перпендикулярных направлени­ях с помощью прецизионных ходовых винтов 9 и 3, которые приводятся во вращение шаговыми двигателями 2 и 10. Фотоголовка включает осветитель 4, фокусирующую систему 5, круговую диафрагму 6 и фотозатвор 7. Диа­фрагма имеет набор отверстий (25– 70), оформляющих определенный эле­мент рисунка ПП, и закрепляется на валу шагового двигателя. В соответст­вии с программой работы сигналы от блока управления подаются на шаго­вые двигатели привода стола, диа­фрагмы и на осветитель. Современные координатографы (табл. 5.4) снабжа­ются системами автоматического под­держания постоянного светового ре­жима, вывода из ЭВМ информации о фотошаблонах на пленку в масштабах 1:2; 1:1; 2:1; 4:1.

Рис. 5.10. Схема координатографа.