11.5. Многослойные печатные схемы
В настоящее время широко используются для монтажа радиоаппаратуры многослойные печатные схемы. Их применение в ближайшем будущем еще более возрастет, так как этот способ монтажа позволяет достичь большой плотности, повысить надежность и снизить стоимость изделий.
В связи с этим в последние годы разработаны различные фольгированные диэлектрики для изготовления многослойных печатных плат марок ФДТ, ФДМ, ФДМЭ, ФГ.
Основой для диэлектриков применяют стеклоткань марки Э, пропитанную спиртотолуольным раствором, состоящим из эпоксидов и феноло-формальдегидной смолы, модифицированной поливинилобутираллем.
В качестве связующего применяют эпоксидную смолу ЭД-6.
Применение эпоксидной смолы ЭД-6 позволило максимально использовать свойство стеклоткани (прочность, теплостойкость, механические качества).
Толщина диэлектриков составляет 0,1—0,2 мм. Применение стеклоткани позволило получить диэлектрики с высокой механической прочностью и повышенной теплостойкостью. При изготовлении ФДТ и ФДМ приклеивание фольги к диэлектрику выполняют фенольполивинилбутарилистым клеем БФ-4 с добавлением пылевидного кварца. Кварц вводят с целью повышения адгезии и теплостойкости клея.
Для всех видов указанных марок применяется фольга оксидированная толщиной 0,035—0,05 мм.
Склеивание многослойных плат производят клеем БФ-4 или БФР-4 при температуре 100—110° С в течение 10—30 мин или при помощи пропитанной стеклоткани, поставляемой с фольгированными диэлектриками. При этом прессование ведут при давлении 40—60 кг/см2 при температуре 150—160° С в течение 10— 30 мин.
Фольгированные диэлектрики ФДТ, ФДМ, ФДМЭ широко применяют в интервале температур от —60 до +120° С.
При необходимости получить гибкие печатные схемы применяют фольгированный материал ФГ. Он может длительно работать при интервале температур —60 +100° С. Печатные платы допускают от 150 до 300 перегибов в зависимости от количества слоев платы и расположения проводников. В качестве наполнителя для него применяется капроновая ткань толщиной 0,09—0,1 мм.
При изготовлении отдельных слоев печатного монтажа используют метод химического травления фольгированных диэлектриков. Изображения при этом следует наносить фотохимическим способом, который имеет значительные преимущества по сравнению с трафаретной печатью и другими способами. Он обеспечивает наиболее точные в отношении стабильности размеров и частоты линии проводников.
При фотохимическом способе наиболее зарекомендовала себя технология изготовления плат с использованием копировального слоя на основе поливинилового спирта двухромовокислым аммонием. Тепловое дубление производят при температуре 90—100° С в течение 1 ч. Травление выполняют в растворе хлорного железа с удельным весом 1,38—1,40. Растворение меди в этом растворе происходит равномерное с очень четкими краями проводников.
Общее внимание к разработке, изготовлению и применению многослойных печатных схем вызвано теми преимуществами, которые они дают при проектировании, изготовлении и монтаже:
многослойные печатные схемы сводят к минимуму пересечения проводников и объем радиоаппаратуры;
конструировать их значительно легче, чем обычные печатные схемы;
весь монтаж осуществляется одновременно, поэтому материальные затраты и время на его выполнение значительно уменьшаются;
отверстия можно располагать очень близко друг к другу: если на обычных платах минимальное расстояние равно 2,5 мм, то на миниатюрных многослойных печатных герметизированных схемах оно сокращается до 1,3 мм;
схемы заливают эпоксидной смолой, что позволяет располагать проводники ближе друг к другу и увеличивать допуски на толщину печатных проводников; залитые схемы хорошо защищены от воздействия окружающей среды;
применение многослойных печатных схем увеличивает общую надежность оборудования.
Конструкция многослойных печатных схем. Многослойные печатные схемы состоят из перемежающихся тонких слоев диэлектрика и проводящего травлением материала. При этом образуется однородный блок, в котором предусмотрены все необходимые соединения элементов, размещенные на разных уровнях.
Варианты конструкций многослойных схем, используемые в промышленности, различаются методами соединений между слоями. Так, в конструкции типа «сэндвич» перемежающихся проводников слои диэлектрика собраны между двумя пластинами из жесткого изолированного материала. Для соединения проводящих слоев друг с другом используют выводные штыри. В другой конструкции многослойных схем соединение между слоями осуществляется через край: конец проводника вышележащего слоя налегает на проводник нижнего слоя (рис. 14-27). Проводники наносят печатным способом. Для удобства соединения каждый верхний слой по размерам меньше нижнего.
За рубежом наиболее распространена конструкция многослойных печатных схем, в которой слои соединены между собой с помощью металлизированных отверстий. Для изготовления таких схем используют фольгированный медью эпоксидный стеклопластик; минимальная толщина изоляции между слоями 0,1 мм. Все платы имеют одинаковые структуру и покрытие. Допуск на толщину плат ± 0,12 мм.
Навесные детали (резисторы, конденсаторы, полупроводниковые приборы) располагают с одной или с двух сторон наружной поверхности многослойной печатной платы. Выводы деталей механически закрепляют, а затем опаивают в металлизированных отверстиях, пистонах и на штырях. В некоторых случаях производят дополнительное крепление деталей к поверхности платы путем приклейки или механического закрепления.
Рис. 11.27. Конструкция многослойной платы с соединением через край
Примерные электрические параметры многослойных схем сопротивления между двумя любыми проводниками не менее 50 000 Мом при 100 в напряжения постоянного тока, приложенного в течение 1 мин; максимальное напряжение пробоя между двумя проводниками 1 000 в при пике переменного или постоянного тока, приложенном в течение 1 мин; диэлектрическая постоянная 5,8. Схемы выдерживают температуру 150 ±5° С в течение 3—4 ч без пузырения, отслоения и других дефектов; они позволяют выполнять пайку волной припоя или погружением на 10 ± 1 сек при температуре припоя 260° С, удалять или заменять отдельные навесные детали и модули, причем 10 циклов нагрева не вызывают нарушения работы схем.
Минимальная ширина проводников для внутренних слоев 0,2 ± 0,05 мм, для наружных 0,35 ± 0,1 мм, минимальный размер металлизированного отверстия 0,45 ± 0,07 мм, минимальное отношение диаметра отверстия к толщине готовой платы 1 : 3; наименьшая толщина материала покрытия: медь — 0,025 мм; золото — 0,0025 мм; сплав олово — свинец — 0,012 мм.
Качество многослойных схем с высокой плотностью монтажа во многом зависит от способа травления фольги. Основным фактором при этом является точное воспроизведение рисунка схемы и равновесное травление на всей поверхности пластинки. Наилучшим признан способ травления распылением, для чего разработана специальная травильная машина с программированием циклов распыления автоматического слива травильного раствора (хлорное железо) и душевой промывки протравленных пластин.
Способы склеивания. Печатные схемы, полученные на стеклопластике травлением, накладывают друг на друга и склеивают.
Недостаток метода обычного склеивания заключается в том, что материалы основания и адгезионные слои не всегда химически совместимы. Результатом этого могут быть не полностью отвержденные слои с высоким влагопоглощением, плохой устойчивостью к температуре пайки и низкими электрическими характеристиками.
Поэтому разработан «сухой» метод наложения. Одно- или двусторонние схемы изготовляют травлением на эпоксидном стеклопластике толщиной 0,075 мм и больше. При наложении слои со схемами чередуют со слоями из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой, и полученный пакет спрессовывают под давлением около 40 кг/см2 при температуре 170° С в течение 40 мин. Получается многослойная печатная схема с большой плотностью монтажа, высокими электрическими характеристиками и хорошей влагостойкостью. Этот метод может быть использован как для схем с металлизированными отверстиями, так и для схем с открытыми контактными площадками.
Создан также процесс, который получил название метода последовательного наложения. Слои накладывают один за другим на обе стороны обычной двусторонней печатной платы, которую называют «плата-сердечник». Отдельные слои пластины изготовляют из стеклоткани толщиной от 0,05 до 0,1 мм с медным покрытием, пропитанной эпоксидной смолой. Смола при этом находится в полуотвержденном состоянии (в стадии В). Плату помещают в пресс, имеющий обогревные платы. Медное покрытие пластин способствует быстрому нагреву пакета. Время между размягчением и отверждением смолы очень мало, поэтому, поместив пластины в пресс, сразу же создают максимальное давление.
В случае наслаивания нескольких схем одновременно тепло проникает в глубину пакета значительно медленнее, поскольку на поверхности пластин имеются только тонкие линии проводников. В этом случае требуется некоторая выдержка в прессе для равномерного распределения тепла на все склеиваемые слои. Поэтому во время начального нагрева пакет прессуют при низком давлении, которое затем повышается до уровня, требующегося для отверждения материала.
Основными факторами, обусловливающими степень адгезии между слоями, являются качество материала, процент содержания связующего, время размягчения и отверждения смолы в пропитанном материале. Необходимо строго выдерживать заданные температуру прессования давления, время выдержки в прессе, специфические для каждого вида материала.
На качество склеивания оказывает влияние наличие влаги в основном или склеивающем материале, проникновение в пластины растворов, применяемых при травлении и нанесении покрытия. Адсорбированную в процессе предыдущих операций влагу удаляют, высушивая предварительно наложенные слои (и каждый последующий накладываемый слой) в вакууме при температуре 120° С в течение 30 мин. Все операции наложения слоев производятся в помещении с относительной влажностью 40%.
Для удаления загрязнений (в том числе травильных растворов и электролитов) применяют вакуумную промывку в деионизированной воде, а кроме того, очищают от окисей и обезжиривают. Все операции при изготовлении многослойных схем рабочие выполняют в перчатках.
Рис. 11.28. Многослойная плата с соединением слоев методом открытых контактных площадок до соединения слоев (а), после соединения слоев (б):
1 — изоляционное основание; 2 — медь; 3 — сторона расположения навесных элементов
Способы электрического соединения слоев. Соединения между слоями многослойных печатных схем, как было сказано выше, осуществляются различными способами, из которых рассмотрим методы открытых контактных площадок, переноса, наращивания, штыревой и некоторые другие. Способ открытых контактных площадок. При изготовлении плат по этому способу набирают пакет из односторонних печатных схем. Монтажные и свободные отверстия располагают таким образом, что контактные площадки внутренних слоев печатного монтажа оказываются доступными для пайки.
Диаметр контактной площадки (не менее 2,5 мм) больше, чем диаметр свободных отверстий в верхних слоях (около 2 мм). Это позволяет укрепить контактную площадку изоляционным материалом (рис. 11.28) и при необходимости перепаивать выводы навесных деталей на плате до 10 раз. Навесные детали или модули припаивают к плате, образуя электрический контакт со слоем печатного монтажа покрытой части контактной площадки. Этот метод допускает размещение отверстий с минимальным расстоянием между центрами 3,8 мм.
Рис. 11.29. Многослойная плата с соединением слоев методом электрохимической металлизации отверстий:
а — до металлизации; б — после металлизации; 1 — медная фольга; 2 — изоляционное основание; 3 — гальваническая медь
Способ электрохимической металлизации отверстий. Слои диэлектрика с печатным монтажом склеивают и просверливают отверстия. Медные контактные площадки на этих слоях располагают там, где необходимо сделать соединения. При сверлении в отверстия выдавливается внутренняя кромка медного кольца контактной площадки, как показано на рис. 11.29. В результате электрохимического осаждения меди все кромки кольцевых контактных площадок соединяются, образуется гальванический «пистон», в котором и производят пайку выводов навесных деталей или модулей. На рис. 11.29, б показано поперечное сечение металлизированного отверстия, металлизация отверстий может быть выполнена двумя способами:
с временной металлизацией всей платы;
с металлизацией по рисунку печатного монтажа.
В обоих случаях до электроосаждения меди изоляционные площадки внутри отверстий покрывают тонким слоем меди путем химического восстановления из раствора.
Рис. 11.30. Стадии изготовления многослойной схемы методом «переноса»:
1 — медь; 2 — изоляционный слой; 3 — временная подложка
Способ «переноса». При этом способе проводящие и изолирующие слои попеременно накладывают на временную стальную подложку. Проводящие слои наносят электрохимическим осаждением в виде медных соединительных шин. Для создания изолирующих слоев наносят эпоксидную смолу через сетчатый трафарет, тщательно защищают те проводящие участки шин, которые будут использованы для электрического соединения слоев. Эти проводящие слои выборочно покрывают электрохимической медью, образуя соединения с открытыми поверхностями контактных площадок, как показано на рис. 11.30, а — г.
Этим способом можно нанести до шести слоев. Многослойный монтаж (рис. 11.30, д) переносят с временной подложки на постоянное основание, например на эпоксидный стеклотекстолит (на рис. 11.30, д оно не показано).
В местах соединений сверлят отверстия для заделки и пайки выводов навесных деталей или модулей (рис. 11.31).
Рис. 11.31. Многослойная плата, изготовленная методом «переноса»:
1 — постоянное основание; 2 — изоляция; 3 — проводящий слой; 4 — временная подложка; 5 — медь; 6 — золото; 7 — изоляция
Описанный способ позволяет получать очень высокую плотность размещения отверстий переходов, так как соединения могут быть выполнены отдельно от монтажных отверстий.
Способ наращивания. Фольгированный изоляционный материал (рис. 11.32, а) дважды подвергается травлению. При первом травлении удаляют часть меди (не по всей толщине), не затрагивая травлением соединительные площадки (рис. 11.32, б). После второго травления остается схема проводников и соединительные площадки (рис. 11.32, в). Затем наносят эпоксидную смолу, которая покрывает всю поверхность платы, кроме выступающих соединительных площадок. Всю плату покрывают слоем электрохимической меди, контактирующим с соединительными площадками. Процесс травления, нанесения смолы и осаждения меди повторяют столько раз, сколько требуется проводящих слоев. На рис. 11.32, г показаны три таких слоя.
Рис. 11.32. Стадии изготовления многослойной схемы методом «наращивания», вид сбоку (А), вид сверху (Б), вид сбоку (В):
1 — изоляционный слой; 2 — медь
В плате затем просверливают отверстия (рис. 11.32, д) для монтажа выводов навесных деталей и модулей. Этот метод также обеспечивает получение очень высокой плотности печатного монтажа, так как соединения снова могут быть выполнены отдельно от монтажных отверстий.
Способ установки штырей. Изоляционные пластины вначале просверливают, а затем фольгируют медью. При травлении рисунка схемы в центре каждой контактной площадки образуется специальная конфигурация в виде «звезды». Отдельные слои набирают в пакет, совмещают по отверстиям и склеивают клеевой пленкой, в которой предварительно сделаны отверстия. В местах соединений полости фольги выступают внутрь отверстии. Когда луженый штырь или пистон вводят в отверстие, эти полоски отгибаются, как показано на рис. 11.33. Соединение производят оплавлением припоя при пропускании тока через штырь или пистон. Этот способ допускает расположение штырей с минимальным межцентровым расстоянием 1,25 мм.
Рис. 11.33. Многослойная плата с соединением слоев методом установки штырей или пистонов:
1 — штырь или пистон; 2—изоляция; 3 — медь
Метод установки заклепок. Плата составляется из отдельных изоляционных оснований с вытравленным печатным монтажом. В ней просверливают отверстия, обнажая при этом внутренние кольцевые поверхности контактных площадок в тех местах, где должны быть выполнены межслойные соединения. Затем в отверстие вставляют трубчатую заклепку, оба конца которой развальцовывают, и раздают ее по диаметру. В это же время заклепку нагревают и соединяют с внутренней поверхностью контактной площадки припоем, как показано на рис. 11.34, образуя таким образом межслойное соединение.
Метод разбрызгивания металла. Слои наращивают, разбрызгивая жидкую медь на подложку, покрытую эпоксидной смолой. Маски из нержавеющей стали определяют рисунок схемы. Попеременно наносят изолирующие слои эпоксидной смолы, защищая при этом контактную поверхность для получения межслойных соединений, как показано на рис. 11.35. Все соединения осуществляются отдельно от монтажных сквозных отверстий.
Рис. 11.34. Многослойная плата с соединением слоев методом установки заклепок:
1 — изоляция; 2 — заклепки;
3 — медь
Рис. 11.35. Многослойная плата, изготовленная методом разбрызгивания металла:
1 — изоляция; 2 — основание; 3 — медь