Домашняя работа_методические указания

В крупносерийном и массовом производстве раскрой листового материала выполняют штамповкой на кривошипных или эксцентриковых прессах (рис. 3, а). В качестве инструмента применяют вырубные штампы. Вырубку в штампах производят как в холодном, так и в нагретом до 80–100 °С состоянии материала. Прогревают материал при штамповке заготовок из стеклотекстолита толщиной свыше 2 мм и гетинакса толщиной свыше 1,5 мм. В серийном, мелкосерийном и единичном производстве заготовки ПП получают разрезкой на одно- и многоножевых роликовых (рис. 3, б) или гильотинных (рис. 3, в) ножницах. Применяемые ножи должны быть установлены параллельно друг другу с минимальным зазором 0,01–0,03 мм по всей длине реза. Скорость резания составляет =2–10 м/мин. Резку дисковыми фрезами (рис. 3, г) применяют, как правило, в мелкосерийном многономенклатурном производстве.

1.4.3. Получение фиксирующих и технологических отверстий

Фиксирующие и технологические отверстия можно получить пробивкой одновременно при вырубке заготовки ПП из полосы; пробивкой в заготовке ПП, полученной резкой; сверлением заготовок, полученных резкой или штамповкой.

Фиксирующие отверстия, необходимые для точного расположения (базирования) заготовки в процессе ее обработки на операциях высокой точности (сверление монтажных и переходных отверстий, получение защитного рельефа, совмещение слоев МПП и т.д.) выполняют пробивкой для ПП 1–2 классов точности или сверлением для ПП 3–7 классов точности. Точность диаметра фиксирующих отверстий составляет для ПП 1–2 классов точности – Н12, 3–4 классов точности – Н9, 5-7 классов точности – ±0,01 мм. Предельные отклонения межцентрового расстояния для ПП 1–2 классов точности – ±0,05 мм, 3-го класса точности – ±0,03 мм, 4-го класса точности – ±0,02 мм, 5–7 классов точности – ±0,01 мм. Сверление фиксирующих отверстий производят в пакете из нескольких заготовок, толщина которого не более 11 мм. Для сверления используют универсальные станки, в которых точность достигается применением кондукторов, или специальное полуавтоматическое или автоматическое оборудование, которое в одном цикле с обработкой пакета заготовок предусматривает пневматическую установку штифтов, фиксирующих пакет. Резание ведут твердосплавными спиральными сверлами при скорости 30…50 м/мин и подаче 0,03…0,07 мм/об. Биение сверла при обработке не должно превышать 0,03 мм. Повышение точности сверления фиксирующих отверстий достигается их развертыванием при скорости 10…30 м/мин.

Технологические отверстия выполняют аналогичными методами, однако к точности их обработки не предъявляются такие жесткие требования, как к точности обработки фиксирующих отверстий.

1.4.4.Получение монтажных и переходных отверстий

Всоответствии с ГОСТ Р 53429 2009 диаметры монтажных, переходных металлизированных и неметаллизированных отверстий должны быть выбраны из ряда: 0,05; 0,075;

0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0 мм. При этом диаметр отверстий под металлизацию должен быть примерно на 0,012 мм больше расчетного, чтобы скомпенсировать толщину осаждаемых меди и металлорезиста. Предельные отклонения диаметров монтажных и переходных отверстий в зависимости от класса точности ПП должны соответствовать указанным в таблице 4.

Впроизводстве ПП применяют следующие способы получения монтажных и переходных отверстий: пробивка (для отверстий, не подлежащих в дальнейшем металлизации); сверление на станках с числовым программным управлением (ЧПУ); лазерное сверление (для отверстий малого диаметра, в том числе глубоких и глухих); химическое травление (для ПП на полиимиде).

11

Пробивка монтажных и переходных отверстий

Пробивку отверстий на универсальных или специальных штампах применяют в тех случаях, когда отверстие в дальнейшем не подвергается металлизации и его ≥1 мм. При пробивке отверстий в односторонних фольгированных диэлектриках применяют штампы с увеличенным двусторонним зазором между пуансоном и матрицей, обеспечивающим затягивание фольги в отверстие, чем достигается его частичная металлизация. В этом случае диэлектрик со стороны фольги укладывается к плоскости пуансонов, а удельное усилие прижима увеличивается в два раза по сравнению с обычным вариантом. Если плата имеет большое количество отверстий и малый шаг координатной сетки, то применяют последовательную пробивку на нескольких штампах, а в условиях мелкосерийного производства применяют универсальные штампы, в которых необходимое количество отдельных пуансонов требуемых размеров набирается в специальном трафарете.

Таблица 4 – Предельные отклонения диаметров монтажных и переходных отверстий ПП

Сверление монтажных и переходных отверстий

Высокая точность обработки монтажных и переходных отверстий достигается применением специализированных одно- и многошпиндельных сверлильных станков с ЧПУ. Заготовки ПП, собранные в пакеты по 3 и более штук, скрепленные штифтами или нет, базируются на рабочем столе сверлильного станка. Заготовки с малым диаметром отверстий (≤0,3 мм) сверлят по одной. Сверху и снизу заштифтованных пакетов размещают листы гетинакса или алюминия для исключения отрыва фольги при входе и выходе сверла и пр. Алюминиевый материал верхней заготовки действует как втулка для входа сверла под углом 90 , уменьшает заусенцы при сверлении, а также как теплоотвод для предотвращения нагрева смолы внутри отверстия и ее наволакивания по стенкам отверстий и на кромки контактных площадок, что препятствует осаждению меди и ведет к разрыву электрической цепи.

Для сверления монтажных и переходных отверстий применяют сверла из твердосплавных материалов (ВК6М, ВК8М), так как сверла из инструментальной стали при сверлении стеклопластиков очень быстро изнашиваются из-за высокой абразивной способности стеклоткани. Минимальный диаметр сверл, который сегодня доступен в изготовлении, составляет 0,1 мм.

Режимами сверления монтажных и переходных отверстий являются: скорость резания – до 180 м/мин; частота вращения шпинделя n =1000-180000 об/мин; подача сверл s=0,02-0,05 мм/об. Для сверления микроотверстий ≤0,3 мм в высокоплотных ПП используют сверлильные станки со шпинделями на воздушных подшипниках, микросверла с точно-

12

стью 0,003 мм, скорость резания более 100 м/мин (для МПП 130-150 м/мин), подачи s=0,01- 0,03 мм/об, частоту вращения шпинделя n=80000-180000 об/мин.

Лазерное сверление

Сущность лазерного сверления заключается в воздействии излучения на обрабатываемую заготовку ПП, в результате которого происходит испарение или взрывное разрушение материала. Лазерным сверлением в ПП могут быть получены: сквозные отверстия диаметром ≥30 мкм в фольгированных и нефольгированных заготовках ПП; глухие отверстия диаметром до 25 мкм, глубиной до 50 мкм в слоях МПП в одностороннем фольгированном и нефольгированном диэлектрике.

Лазерное сверление отверстий ПП осуществляют двумя способами:

с использованием специальной металлической маски с отверстиями, после

совмещения которой с заготовкой ПП и воздействия лазерного излучения происходит испарение материала основания ПП в местах расположения отверстий в маске;

путем подачи дозированного лазерного излучения импульсами малой дли-

тельности в зону формирования отверстий при обходе этих зон по программе. В настоящее время применяются следующие технологические лазеры:

инфракрасные лазеры, в частности мощный газовый CO2-лазер. Так как излу-

чение такого лазера хорошо поглощается диэлектриком, но не поглощается медным покрытием ПП и не проникает через него, то перед сверлением требуется вскрытие медного покрытия химическим или механическим способами. Кроме того, диаметр пятна фокусировки CO2- лазера составляет ~70 мкм, что требует обязательного использования специальных масок для получения отверстий меньшего диаметра;

ультрафиолетовые лазеры, в частности твердотельный Nd:YAG-лазер ─

алюмо-иттриевый гранат («YAG», Y3Al5O12) с добавками неодима Nd, работающий на третьей гармонике с длиной волны 355 нм, специально выбранной для хорошего поглощения энергии излучения медью. Такой лазер позволяет варьировать плотность энергии излучения, что дает возможность как формирования проводников и сверления отверстий в медной фольге (~4 Дж/см2), так и сверления отверстий в диэлектрике (~0,1 Дж/см2). Кроме того, он имеет малый диаметр сфокусированного луча (~20 мкм).

Химическое травление

Использование полиимидных пленок в качестве материала основания ПП позволяет вытравливать в них отверстия в крепких горячих щелочах. Для этого первоначально в соответствующих местах вытравливаются окна в фольге, которая в данном случае играет роль маски. Этот групповой метод получения отверстий обладает высокой производительностью. Однако отсутствие соответствующих установок со струйной обработкой горячими щелочами вынуждает использовать травление методом погружения, что приводит к нежелательному подтравливанию диэлектрика под фольгой. Тем не менее, при отсутствии соответствующего оснащения травление отверстий остается единственным способом выполнения в частности глухих отверстий при использовании полиимидных пленок для наращивания слоев МПП.

1.4.5. Подготовка поверхности ПП

Основной целью подготовительных операций является обеспечение качества при выполнении основных процессов формирования элементов печатного монтажа. Они включают очистку исходных материалов и монтажных отверстий от заусенцев, смолы, окислов, жировых и масляных пятен, пленок и других загрязнений, получение равномерной шероховатости поверхности для обеспечения хорошей адгезии фоторезиста, активирование поверхностей перед химическим меднением, специальную обработку диэлектриков, а также контроль качества подготовки. В зависимости от характера и степени загрязнений подготовку поверхности ПП проводят механическими, химическими, электрохимическими, плазменными способами и их сочетанием. Выбор технологического оборудования для подготовительных операций определяется серийностью производства.

13

Механическая подготовка

Может выполняться щеточным или струйным способами.

Щеточная очистка в единичном и мелкосерийном производстве осуществляется вручную смесью венской извести и шлифовального порошка под струей воды, а в крупносерийном и массовом производстве - на модульных линиях конвейерного типа c капроновыми или нейлоновыми дисковыми щетками в качестве инструмента, на которые подается абразивная суспензия. В качестве абразива используют в основном корунд (высокотемпературная -модификация оксида алюминия Al2O3). От размера зерна абразива зависит параметр шероховатости поверхности.

Струйная очистка представляет собой гидроабразивную очистку, осуществляемую подачей с большой скоростью на поверхность заготовки ПП водяной пульпы с абразивным порошком. Кинетическую энергию пульпе создает сжатый воздух под давлением не менее 0,5 МПа, а в качестве абразива используется корундовый порошок, смешиваемый с водой в сифоне в соотношении 1:4. Пульпа подается через керамические форсунки, покачивание которых обеспечивает равномерность обработки поверхности заготовок и увеличивает гарантии обработки всех отверстий без пропуска.

Химическая подготовка

Применяется для очистки слоев МПП перед прессованием, отверстий после сверления, специальной обработки диэлектриков. В единичном и мелкосерийном производстве осуществляется вручную в ваннах с различными растворами при покачивании плат с последующей их промывкой, а в крупносерийном и массовом производстве – на модульных линиях.

В настоящее время наиболее распространенным за рубежом способом очистки отверстий от наволакивания смолы на торцы контактных площадок внутренних слоев МПП после сверления является перманганатная очистка. Фирма Schiplay использует этот процесс и в технологии ДПП, полагая, что последующая металлизация отверстий идет лучше после ее применения. Очистка проводится на модульных линиях струйной обработки в щелочных перманганатных растворах состава: перманганат калия (KMnO4) 40–50 г/л, гидроокись калия (KOH) 35–45 г/л, вода до 1 л. Наилучшее качество очистки достигается при времени обработки 15–25 мин и температуре ~70 °С. Предварительно заготовки обрабатываются в сильном органическом растворителе, который уравнивает остекленную температурой сверления смолу на торцах контактных площадок со смолой стенок, чем достигается равномерность удаления наволакивания. Поэтому достаточно легкого подтравливания, чтобы очистить торцы. Последовательность операций, состав растворов и режимы перманганатной очистки приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Перманганатная очистка

14

Электрохимическая подготовка

Применяется для: обработки внутренних слоев МПП с последующей защитой от окисления перед нанесением СПФ; удаления жировых пятен, отпечатков пальцев и оксидов перед металлизацией сквозных отверстий МПП с двусторонними слоями, ДПП и МПП с тонкими проводниками; обработки экранных слоев для повышения прочности сцепления с сигнальными слоями. Производится на модульных линиях в комбинации, как правило, с химической подготовкой. Последовательность операций, состав растворов, режимы электрохимической и химической подготовки фольгированного диэлектрика приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Электрохимическая и химическая подготовки фольгированного диэлектрика

Плазмохимическая подготовка

Применяется для очистки отверстий МПП <0,3 мм после сверления за счет ионного травления смолы в среде высокочастотной плазмы газов. Для очистки, заготовки плат помещаются в вакуумную камеру между двумя параллельно расположенными электродами, имеющими отверстия, совпадающие с отверстиями МПП. Камера герметизируется, создается разряжение 1,33·10-3 Па и камера наполняется смесью кислорода (70%) и фреона C2F4 (30%). На электроды подается высокое напряжение с частотой 15 МГц от генератора мощностью в несколько киловатт. Наполняющие камеру газы возбуждаются электрическим полем до получения плазмы, которая свободно проходит по каналу, образованному отверстиями МПП и электродов. Тонкие слои эпоксидной смолы в отверстиях МПП превращаются плазмой в летучие компоненты, удаляемые в атмосферу. Продолжительность обработки 35–45 мин. После снятия напряжения смесь газов возвращается в нейтральное состояние и не представляет опасности для окружающей среды. После обработки заготовки плат остаются сухими и чистыми. Применяют и другие конструкции электродов, например, в виде мелкой сетки, пригодной для любых заготовок МПП с произвольным расположением отверстий.

1.4.6. Металлизация ПП

Предназначена для получения токопроводящих участков ПП (проводников, металлизированных отверстий, контактных площадок, концевых разъемов, ламелей и т.д.), защиты их от растравливания на операции травления меди с пробельных мест и от окисления для обеспечения паяемости ПП. Основными методами получения металлических покрытий в производстве ПП являются химический и электрохимический (гальванический).

Химическая металлизация

Используется в производстве ПП для получения токопроводящих участков селективным меднением (слой меди толщиной порядка 35 мкм) и для получения тонкого (1–5

15

мкм) подслоя меди перед гальваническим осаждением, чтобы сделать диэлектрические поверхности токопроводящими. Химическое меднение − это окислительновосстановительная реакция на диэлектрике, которая протекает при наличии катализатора. Катализатор − это ионы палладия Pd2+, которые могут быть восстановлены на пленке из ионов олова Sn2+. Получение ионов олова - сенсибилизация - это восстановление их при гидролизе хлористого олова (SnCl2·2H2O и HCl) в течение 3 минут. Получение ионов палладия - активация - восстановление при гидролизе хлорного палладия (PdCl2·2H2O и HCl) в течение 2 минут. Металлический палладий адсорбируется на поверхности на островках Sn(OH)2, которые после этого становятся высокоактивными центрами каталитических процессов при последующем восстановлении осаждаемой меди. При этом получается не сплошная пленка палладия, а он рассеивается по поверхности заготовки отдельными вкраплениями. Сенсибилизация и активация составляют первую стадию химического меднения – активирование. После активирования и промывки платы поступают на химическое меднение, которое проводится в одном из растворов, приведенных в таблице 7. Так как скорость меднения невысока (2–4 мкм/час) и пленка толщиной 20–28 мкм наращивается 10–12 часов, то реально получают 5–8 мкм химической меди, а затем проводят электрохимическую металлизацию, то есть гальваническое усиление меди (20–25 мкм) за 30– 40 минут.

Таблица 7 – Растворы для химического меднения

П р и м е ч а н и е . В таблице представлены состав растворов и режимы химического меднения.

Электрохимическая (гальваническая) металлизация

Используется в производстве ПП несколько раз. Во-первых, для предварительного гальванического меднения (толщина 1–7 мкм) с целью защиты тонкого слоя химической меди от повреждения, улучшения адгезии и структуры осадка. Во-вторых, для гальванического меднения с целью получения основного токопроводящего слоя меди в монтажных и переходных отверстиях, на проводниках и контактных площадках (толщина 20–25 мкм). В-третьих, для гальванического осаждения металлорезиста (толщина 8–20 мкм), например олово-свинец, на проводники, контактные площадки, в монтажные отверстия с целью

16

предохранения проводящего рисунка при травлении плат, защиты его от коррозии и обеспечения хорошей паяемости. В-четвертых, гальваническое осаждение металлов и сплавов (толщина 2–9 мкм) на часть проводящего рисунка (например, на концевые разъемы ПП) для повышения износостойкости, твердости, снижения переходного сопротивления, защиты от окисления и т.д.

Суть процесса электрохимической металлизации - заготовки плат на специальных подвесках - токоподводах помещают в гальваническую ванну с электролитом (анод - металл покрытия, катод - плата).

Для меднения ПП применяют различные электролиты. Отраслевые стандарты рекомендуют для предварительной металлизации борфтористоводородный электролит сле-

дующего состава (г/л): Cu(BF4)2 230–250, HBF4 5–15, H3BO3 15–40. Процесс ведут при температуре 20±5 °С, плотности тока 3–4 А/дм2, скорости осаждения 25–30 мкм/ч. Более пластичные и равномерные осадки получаются в сернокислых электролитах. Для улучшения рассеивающей способности в электролит добавляются блескообразующие и выравнивающие добавки, а процесс ведут непрерывной подачей свежего раствора меднения непосредственно в сквозные отверстия. Сернокислый электролит с блескообразующей добавкой имеет состав (г/л): CuSO4·5H2O 100–200, H2SO4 15–180, NaCl 0,03–0,06,

комплексная добавка 1–3 мл/л.

Для осаждения сплава олово-свинец используется борфтористоводородный элек-

тролит следующего состава (г/л): Sn2+ 13–15, Pb2+ 8–10, HBF4 250–300, H3BO3

20–30, пептон 3–5, гидрохинон 0,8–1. При этом аноды изготавливают из сплава, содержащего 61 % свинца и 39 % олова. Процесс ведут при комнатной температуре, плотности тока 1–2 А/дм2 и скорости осаждения 1 мкм/мин.

Для гальванического осаждения металлов и сплавов, в частности на концевые контакты ПП (ламели), могут использоваться благородные металлы золото, серебро, палладий и их сплавы. Как правило, используют золото (3 мкм) с подслоем никеля (6 мкм). В ряде случаев в качестве контактного покрытия используют гальванический палладий. Перед нанесением этих покрытий поверхность ламелей должна быть освобождена от других покрытий, в частности от олова-свинца. Для снятия этого покрытия используют стандартные растворы на основе борфтористоводородной кислоты. Если перед осаждением оловасвинца используют подслой никеля (для улучшения паяемости), он же служит подслоем для золочения. Поскольку контактные покрытия на ламели наносятся после травления рисунка, технологическое поле платы должно содержать технологический проводник, через который поверхности ламелей соединяются с катодом ванны электролизера. На финише технологические проводники обрезаются вместе с технологическим полем. Для осаждения контактных покрытий плату погружают только на глубину ламелей.

Прямая металлизация

Применяется для изготовления ДПП и МПП на различных диэлектриках. Сущность процесса состоит в том, что электропроводность диэлектрика в отверстиях создают на стадии активирования, которая аналогична осуществляемой обычно перед химическим меднением. Причем создается сплошная металлизация, а не отдельные вкрапления, как при обычном активировании, и можно проводить гальваническое осаждение меди, минуя стадию химического меднения. При этом применяют активаторы на основе графита, углерода, органических соединений и коллоидных систем, содержащих Pd. Коллоидные системы, содержащие Pd, позволяют получить самый лучший вариант прямой металлизации сквозных отверстий. В качестве примера в таблице 8 приведена технология прямой металлизации System-S фирмы J- Kem International. В обозначениях растворов использованы фирменные названия J-Kem. Основной недостаток процесса прямой металлизации – необходимость более тщательной предварительной очистки отверстий с созданием развитой поверхности. В настоящее время имеет место повсеместный переход массового производства ПП в мире на технологию прямой металлизации.

17

1.4.7. Формирование защитного рельефа

Формирование защитного рельефа требуемой конфигурации, необходимого при проведении процессов металлизации и травления, заключается в процессе переноса изображения рисунка печатных проводников на материал основания ПП. Основными методами, применяемыми в промышленности для формирования защитного рельефа являются: фотохимический (фотопечать), сеткографический (сеткография), офсетная печать.

Таблица 8 – Технология прямой металлизации System-S фирмы J-Kem International

18

Защитный рельеф может быть негативным и позитивным. Выбор метода определяется конструкцией ПП, требуемой точностью и плотностью монтажа, производительностью оборудования и экономичностью процесса.

Фотохимический метод

Заключается в нанесении на поверхность заготовки ПП фоторезиста, экспонировании через фотошаблон рисунка схемы и проявлении изображения рисунка (рис. 4).

Рис. 4 – Фотохимический метод формирования защитного рельефа: 1 – нанесение фоторезиста; 2 –установка фотошаблона; 3 – экспонирование рисунка схемы; 4 - проявление изображения рисунка

Типы фоторезистов Фоторезист - фотополимерный материал, чувствительный к ультрафиолетовому

(УФ) излучению. Применяют фоторезисты негативные и позитивные.

Негативные фоторезисты образуют при воздействии света защитные маски вследствие реакции фотополимеризации, при этом облученные участки остаются на плате,

анеоблученные удаляются при проявлении.

Впозитивных фоторезистах под действием света происходит фотодеструкция органических молекул, вследствие чего облученные участки удаляются при проявлении.

Всвою очередь негативные и позитивные фоторезисты могут быть жидкими и сухими пленочными.

Жидкие фоторезисты значительно дешевле пленочных, просты в приготовлении и применении, нетоксичны, для работы с ними требуется несложное оборудование. Некоторые типы жидких фоторезистов, выпускаемых промышленностью, приведены в таблице 9.

Таблица 9 – Жидкие фоторезисты

П р и м е ч а н и е . Н – негативный фоторезист; П – позитивный фоторезист.

19

Сухие пленочные фоторезисты (СПФ) более технологичны, чем жидкие. СПФ представляют собой структуру, состоящую из чувствительного к УФ-излучению слоя, который помещается между защитной полиэтиленовой пленкой и оптически прозрачной лавсановой пленкой, предназначенной для защиты фоторезиста от окисления на воздухе. Некоторые типы СПФ приведены в таблице 10.

Таблица 10 – Сухие пленочные фоторезисты

П р и м е ч а н и е . Н – негативный фоторезист.

Нанесение фоторезистов

Жидкие фоторезисты наносят окунанием, центрифугированием, накаткой валками, разбрызгиванием. При покрытии окунанием заготовки погружаются в кювету с фоторези-

стом и вытягиваются с постоянной скоростью 10–50 см/мин. Толщина слоя определяется

вязкостью, скоростью вытягивания и колеблется от 4 до 8 мкм. Способ не требует дорогостоящего оборудования и обеспечивает двустороннее нанесение фоторезиста. Недостатком является неравномерность нанесенного слоя. Применение центрифугирования и накатки валками приводит к повышению равномерности наносимых слоев жидких фоторезистов. Валковые конвейерные установки имеют секции инфракрасной сушки резиста.

СПФ наносят на ПП на установках для ламинирования (ламинаторах) путем накатывания на поверхность ПП валиком, нагретым до 100–120 °С. После нанесения СПФ

платы выдерживают 30 мин при комнатной температуре в помещении с желтым светом («неактиничное освещение») для снятия внутренних напряжений в пленке.

Экспонирование

Предназначено для инициирования фотохимических реакций в фоторезистах. Проводится в установках, содержащих источники света (сканирующие, неподвижные или точечные), работающие в ультрафиолетовой области. Продолжительность экспонирования определяется опытным путем и составляет обычно 15–20 с. После экспонирования заготовка платы выдерживается 30 мин в затемненном месте для завершения процесса полимеризации засвеченных участков.

Проявление

Для жидких фоторезистов проявление, окрашивание и химическое дубление (для повышения химической стойкости фоторезиста) производят в конвейерных струйных установках модульного типа, оснащенных устройствами подачи растворов с их фильтрацией и регулировкой давления, роликовым конвейером, соединяющим все модули.

20