CC BY
804
Щербакова О.И., Граб Ю.А., Белов А.Г., Кочегаров И.И.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Введение
Печатная плата — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.
В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют
на :
односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика ;
двухсторонние (ДПП): два слоя фольги;
многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы, получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат .
Именно о методах изготовления многослойных печатных платах (МПП) у нас пойдёт речь. Методы изготовления многослойных печатных плат постоянно эволюционируют, при этом явно наблюдается развитие по спирали: возврат к старому в новом качестве. Так, мы видим, что метод послойного наращивания, уступивший в свое время первенство методу металлизации сквозных отверстий, вернулся как способ наращивания слоев с глухими отверстиями. А метод попарного прессования можно увидеть как фрагмент изготовления МПП со скрытыми межслойными переходами.
Выбор методов изготовления печатных плат
Правильный выбор материалов, технологических процессов и элементной базы при разработке современных печатных узлов во многом определяет уровень работоспособности и надежность электронного устройства в целом при рациональных экономических затратах в производстве. При этом очень важно рассматривать следующие аспекты:
Назначение электронной системы: технические условия на изделия, ожидаемый рабочий ресурс, элементная база с характеристиками по быстродействию, выходному сопротивлению, уровню рабочих сигналов, напряжению питания и т. д.
Эксплуатационные требования по ремонтопригодности: возможности профилактики и ремонта, наличие запасных печатных узлов и блоков.
Окружающие условия при хранении и работе. Технология изготовления: совместимость с действующим производством, степень и характер механизации и автоматизации при заданном объеме производства.
Базовые и вспомогательные материалы: объем возможных поставок, стоимость, необходимость отбора по специальным требованиям.
Все методы изготовления печатных плат можно расположить в следующий ряд возрастания плотности печатного монтажа:
односторонние печатные платы;
двусторонние печатные платы (ДПП) - комбинированным позитивным методом;
ДПП - полуаддитивным методом;
ДПП - полуаддитивным методом с дифференциальным травлением;
МПП- методом попарного прессования;
МПП - методом открытых контактных площадок;
МПП - методом металлизации сквозных отверстий;
МПП - методом послойного наращивания;
МПП - комбинацией методов металлизации сквозных отверстий и послойного наращивания.
Метод попарного прессования
Этот метод основан на выполнении межслойных соединений посредством металлизации отверстий, как и для обычных двухслойных плат. Для этого применяется полуаддитивный метод изготовления заготовок (или, как чаще называют, - ядер), из которых в дальнейшем и собирается пакет многослойки [1]. Этапы метода:
готовые ядра спрессовываются. Между ними размещается слой прокладочной стеклоткани, которая пропитана, в свою очередь, специальной смолой. Данное вещество помогает заполнить переходные отверстия. Таким образом, защищается медное гальванопокрытие от внешних воздействий во время любых технологических операциях;
сверлятся сквозные отверстия при помощи специальных станков;
производится активация, гальваническая затяжка и химическая металлизация;
наносится фоторезист [2] через фотошаборн. Это делается только для внешних слоев;
производится базирующая металлизация;
наносится металлорезист;
удаляется фоторезист;
все обнаженные участки между рисунками травятся тонкой фольгой;
удаляется металлорезист;
плату омывают и после этого сушат;
наносится паяльная маска;
наносится последнее покрытие на контактные площадки; делается маркировка; плату обрезают по контуру;
полученную плату тестируют и проводят над ней контроль [3].
Преимуществами метода является относительная простота реализации, поскольку он основан на обычной технологии металлизации отверстий двусторонних печатных плат, хорошо освоенной в промышленности. Однако прессование заготовок при недостаточной жесткости исходного материала может приводить к разрушению металлизации переходных отверстий, следовательно, к отказам соединений.
Рисунок 1 - Простейший вариант структуры МПП попарного прессования: 1 — переходное металлизированное отверстие между наружным и внутренним слоем; 2 — сквозное металлизированное отверстие; 3 — проводник наружного слоя; 4 — проводник внутреннего слоя
Метод открытых контактных площадок и выступающих выводов
Сущность обоих методов заключается в прессовании тонких печатных слоев с перфорированными окнами для доступа к внутренним слоям. Межслойные [4] соединения, как таковые, в этих методах изготовления отсутствуют. Поэтому проводники, принадлежащие одной цепи, должны лежать в одном слое.
При изготовлении МПП методом открытых контактных площадок используются полученные травлением отдельные печатные слои. Соединения выводов навесных элементов с контактными площадками внутренних слоев осуществляются через перфорированные окна вышележащих слоев. В результате этого верхний слой [5] имеет перфорации, обеспечивающие доступ ко всем нижним слоям. Очевидно, нижний внутренний слой имеет наибольшую площадь для трассировки печатных цепей, поскольку не имеет перфораций, а верхний наружный слой имеет наименьшую площадь для трассировки и наибольшее количество перфорации. Таким образом, при использовании метода открытых контактных площадок плотность печатного рисунка внутренних слоев имеет ограничения, связанные с необходимостью перфораций для осуществления соединений. Поэтому увеличение слойности МПП [6], изготавливаемых методом открытых контактных площадок, более пяти становится не целесообразным. Такие ограничения отсутствуют для метода выступающих выводов.
Фольгирование [7] перфорированной стеклоткани внутренних слоев при изготовлении МПП методом выступающих выводов производится самим изготовителем платы, так как выступающие выводы являются продолжением печатных проводников и выходят из внутренних слоев в перфорированные окна. После склеивания пакета внутренних слоев выступающие в окна выводы отгибают на наружную поверхность платы и формуют под крепящую колодку, либо подпаивают к контактным площадкам наружного печатного слоя. Окна в плате предназначены для размещения микросхем. Из каждого окна должны выходить концы проводников в количестве, равном числу выводов микросхем.
Рисунок 2 - Структура МПП, изготовленной методом открытых контактных площадок: 1 - окно для пайки штыревого вывода компонента; 2 - проводник внешнего слоя; 3 - проводник внутреннего слоя; 4 - соединение монтажных площадок в одном слое; 5 - окно для монтажа попарного вывода компонента.
Метод послойного наращивания
Изготовление МПП этим методом заключается в последовательном чередовании слоя изоляции и металлизированного [8] слоя печатного рисунка. Соединения между проводящими элементами печатных слоев производятся гальваническим наращиванием меди в отверстиях слоя изоляции.
Изготовление платы начинается с приклейки к медной фольге изоляционной прокладки с перфорациями в местах будущих межслойных переходов. На всех операциях изготовления МПП методом послойного наращивания эта фольга осуществляет соединение металлизируемых поверхностей с катодом гальванической ванны. На конечном этапе на ней вытравливают рисунок наружного слоя [9].
После изготовления металлизированных переходов и их планаризации в плоскость с диэлектриком, на поверхность межслойной изоляции полуаддитивным методом формируют печатный рисунок слоя. На изготовленный слой проводящего рисунка напрессовывают следующий слой перфорированной изоляции и через перфорации наращивают очередные металлизированные переходы. Таким образом, последовательно создаются слои проводящего рисунка и изоляции с межслойными переходами.
В качестве межслойной изоляции [10] могут быть использованы стеклотекстолитовые прокладки с перфорациями в местах межслойных переходов или полимерные пленки, отверстия в которых химически вытравливают в назначенных местах.
Количество слоев МПП при послойном наращивании ограничивают обычно пятью, так как изготовление каждого последующего слоя связано с многократными термическими (при прессовании) и химическими воздействиями на уже изготовленные слои.
Преимуществом данного метода изготовления МПП является исключительно высокая плотность монтажа, так как он дает возможность выполнения межслойных переходов в любой точке платы, независимо от трассировки и местоположения межслойных соединений смежных слоев. Таким образом, межслойные переходы могут выполняться независимо друг от друга, между любыми слоями в любой назначенной точке .
Ввиду необходимости строгой последовательности выполнения операций, процесс изготовления МПП методом послойного наращивания [11] имеет длительный технологический цикл. Кроме того, этот процесс требует исключительной тщательности и качества изготовления, так как любой производственный дефект, допущенный на последних слоях, приводит к браку всей печатной платы. Использование этого метода для изготовления МПП создает дополнительные технологические трудности при очистке отверстий под межслойные переходы от затеков клея, последующего тщательного визуального контроля каждого отверстия на отсутствие загрязнений, сошлифовывания вручную выступающих над поверхностью заготовки столбиков меди межслойных соединений [12] до уровня поверхности изоляции и др.. Попытки в какой-то мере механизировать эти операции, как правило, не приводят к положительному эффекту. Особенности гальванических осаждений в толстых слоях и длительный контакт электролитов с открытой поверхностью диэлектриков приводят к необходимости постоянной тщательной очистки электролитов и предотвращения попадания в ванну даже незначительных загрязнений, которые потом могут вызвать
отказ соединений по межслойному переходу. Для обеспечения постоянных условий металлизации необходимо более часто, чем для других случаев, производить химический анализ, корректировку и очистку растворов ванн.
Трудности послойного наращивания в сочетании с высокой реализуемой плотностью монтажа и надежностью выделили этот метод для изготовления уникальных МПП в лабораторном производстве с высокой технологической культурой. Внедрение этого метода в серийное и даже в мелкосерийное производство затруднено.
Применение этого метода оправдано для создания аппаратуры с высокой надежностью. Например, печатные платы в аппаратуре космического транспорта и космического базирования, изготовленные этим методом, не имели ни одного отказа за все время использования с 80-х годов прошлого столетия.
Рисунок 3 - Вариант структуры МПП послойного наращивания: 1 — сквозное переходное металлизированное отверстие между наружными слоями; 2 — монтажная контактная площадка; 3 — компонент с планарными выводами; 4 — основа (ядро МПП); 5 — проводники внутренних слоев; 6 — межслойные переходы (металлизированные столбики); 7 — проводники внешних слоев
Метод металлизации сквозных отверстий
Процесс изготовления МПП методом электрохимической металлизации сквозных отверстий состоит в изготовлении отдельных внутренних слоев химическим методом, прессовании слоев в монолитный пакет, сверлении сквозных отверстий и их металлизации. При сверлении на стенках отверстий вскрывают торцы контактных площадок внутренних слоев. Соединения их друг с другом и с контактными площадками наружных слоев получаются за счет металлизации отверстий.
Метод металлизации сквозных отверстий, по-существу единственный метод создания конструкций [13] с наиболее оптимальной электрической структурой, обеспечивающей надежную передачу наносекундных импульсов и распределение питания между активными элементами. Такие конструкции МПП позволяют выполнить печатные цепи как полосковые линии передач и создают эффективное экранирование одной группы цепей от другой.
Таким образом, наряду с высокой технологичностью МПП, изготовленные методом металлизации сквозных отверстий, имеют высокую плотность монтажа, большое количество вариантов трассировки печатных цепей, более короткие линии связей, возможность электрического экранирования, улучшение характеристик, связанное с устойчивостью к воздействию окружающей среды за счет расположения всех печатных проводников в массе монолитного диэлектрика, возможность увеличения числа слоев без существенного увеличения стоимости и длительности процесса.
Недостатком метода является относительно механически слабая связь металлизации отверстий с торцами контактных площадок внутренних слоев. Изготовление МПП этим методом осложнено проблемой точного совмещения печатных слоев из-за погрешностей фотошаблонов и деформаций базовых материалов в процессе изготовления внутренних слоев и прессования. Особой тщательности требует подбор режимов прессования для обеспечения прочной адгезии пакета слоев, устойчивой к воздействию групповой пайки. А также, в процессе использования МПП возникают трудности, при внесении изменений в трассировку при ремонте плат.
Рисунок 4 - Структура МПП, изготовленная классическим методом металлизации сквозных отверстий: 1 — контактная площадка внешнего слоя; 2 — сквозное монтажное металлизированное отверстие; 3 — проводник внутреннего слоя; 4 — проводник внешнего слоя; 5 — сквозное переходное металлизированное отверстие; 6 — контактная площадка внутреннего слоя; 7 — основа (ядро МПП); 8 — слой прокладочной стеклоткани (препрег); 9 — медная фольга; 10 — гальваническая медь Заключение
Рассмотрение методов изготовления печатных плат с учетом современной практики печатного монтажа позволяет отдать предпочтение в производстве односторонних печатных плат - химическому методу, двусторонних - комбинированному позитивному, многослойных - методу металлизации сквозных отверстий .
Названные методы признаны базовыми в отечественной и зарубежной практике производства печатных схем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев П.Г. Микропроцессорные системы в учебном процессе / П.Г. Андреев, И.Ю. Наумова, Н.К. Юрков, Н.В. Горячев, И.Д. Граб, А.В. Лысенко // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2009. Т. 1. С. 161-164.
2. Барановский И. «Проектирование и технология печатных плат».
3. Сивагина Ю.А. Автоматизированные системы сквозного проектирования печатных плат радиоэлектронных средств / Ю. А. Сивагина, А. Г. Белов, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков, // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 222-226.
4. Белов А.Г. К вопросу оценки погрешности измерений в радиоэлектронных средствах / А. Ю. Мер-кульев, А. Г. Белов, // Молодой ученый. 2014. № 3 (62). С. 329-331.
5. Бростилов С. А. Волоконно-оптический датчик давления на основе туннельного эффекта / С. А.
Бростилов, Т. И. Мурашкина, Т. Ю. Бростилова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 4. - С. 106-117.
6. Бростилов С. А. Технологические основы проектирования волоконно-оптического датчика ускорения / С. А. Бростилов, А. С. Щевелев, О. В. Юрова, Т. И. Мурашкина, А. В. Архипов // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2011. - № 8. - С. 39-43.
7. Горячев Н. В. Типовой маршрут проектирования печатной платы и структура проекта в САПР электроники Altium Design / Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 120-122.
8. Трифоненко И. М. Обзор систем сквозного проектирования печатных плат радиоэлектронных средств / И.М. Трифоненко, Н.В. Горячев, И.И. Кочегаров, Н.К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 396-399.
9. Горячев Н.В. Проектирование топологии односторонних печатных плат, содержащих проволочные или интегральные перемычки / Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 122-124.
10. Горячев Н.В. Методика формирования контура печатной платы в САПР электроники с помощью сторонней механической САПР / Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС. 2010. № 15. С. 127.
11. Затылкин, А.В. Метод связанных систем в моделировании процесса обучения / А. В. Затылкин,
B. Б. Алмаметов, И. И. Кочегаров // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. № 4 (6). - С. 86-89.
12. Затылкин, А. В. Программная система оценки теплового режима конструкций РЭС / А. В. Затылкин, И. И. Кочегаров, С. В. Крылов, // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс: Периодическое научное издание - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2012. №3 - С. 75-80
C.
13. Шуваев П.В. Формирование структуры сложных многослойных печатных плат / П.В. Шуваев, В.А. Трусов, В.Я. Баннов, И.И. Кочегаров, В.Ф. Селиванов, Н.В. Горячев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 364-373.
14. Лысенко А.В. Краткий обзор методов имитационного моделирования / А.В. Лысенко, Н.В. Горячев, И.Д. Граб, Б.К. Кемалов, Н.К. Юрков // Современные информационные технологии. 2011. № 14. С. 171-176.
15. Пирогова Е. В., «Проектирование и технология печатных плат».
