Формирование токопроводящих элементов печатных плат [3, 4]

Технология металлизации.

Формирование токопроводящих элементов ПП осуществляется двумя основными методами: химическим (бестоковым) и электрохимическим. Химическая металлизация используется в качестве основного слоя при изготовлении плат аддитивным методом, при этом после соответствующей активации на них осаждают химическим способом проводящий слой толщиной до 3 мкм, а затем его усиливают гальваническим способом до необходимой толщины, так как гальваническое осаждение значительно дешевле. В основном этот метод применяют для осаждения меди и никеля в межслойных переходах ПП

Процесс химической металлизации основан на окислительно-восстановительной реакции ионов металла из его соли в определенной среде, при которой необходимые для восста­новления катионов металла электроны получают в результате окисления специальных веществ, называемых восстановителями.

Для создания межслойных переходов в ПП и для изготовления проводящего рисунка плат используют, как правило, восстановительную ванну для меднения в одном из растворов, при­веденных в таблице.

Разбавленные растворы (1) характеризуются более высокой стабильностью, чем концентрированные (2 и 3), но в них выделе­ние меди происходит с низкой скоростью. При температуре ванны в 35-40 °С получают за 30 мин слой меди толщиной 0,5 мкм. Высокопроизводительные восстановительные ванны для меднения позволяют при температуре примерно 50 °С осадить слой в 25 мкм в течение 4 ч. Для облегчения удале­ния водорода, выделяющегося в процессе меднения, в растворы вводят поверхностно-активные вещества (моющее средство), а процесс ведется с плавным покачиванием плат (8-10 колеб./мин при амплитуде 50-100 мм).

В последнее время рекомендуют применять для получения металлического проводящего слоя также ванны для химического никелирования, которые являются более стабильными и простыми в управлении. В ванны добавляют стабилизаторы, способствующие тому, что реакции происходят только на нужной поверхности, а не в растворе. При температуре 52-54 °С, рН=5÷6 и соотношении площади поверхности и объема ванны 1 дм²/л за 7-10 мин образуется слой никеля толщиной в 1 мкм.

Активация поверхностей диэлектриков.

На диэлектриках реакция восстановления протекает при наличии на их поверхности каталитически активного слоя. Для придания диэлектрику способности к металлизации производят двухступенчатую операцию сенсибилизации и активирования.

Сенсибилизация — это процесс создания на поверхности ди­электрика пленки ионов двухвалентного олова, которые впослед­ствии обеспечат восстановление ионов активатора металлизации. ПП хорошо очищают в специальных растворах, особое внимание обращают на обезжиривание. Если печатные платы имеют отверстия особо малых диаметров, то их необходимо очищать в ультразвуковых ваннах. Затем платы опускают на 3-5 мин в солянокислый раствор дихлорида олова (SnCl₂ – 5-10 г/л, HCl – 20-40 г/л). Чтобы предотвратить разрушение раствора в результате гидролиза, необходимо поддерживать высокую концентрацию кислоты. Постепенное разбавление сенсибилизирующей ванны водой, остающейся на платах после промывки, предотвращают, предварительно погружая заготовку в 10%-ную HCl. Время работы сенсибилизирующей ванны можно существенно повысить, добавляя в нее гранулы олова. После сенсибилизации платы промывают в хо­лодной воде. При этом на их поверхности образуется нерастворимая и несмываемая гидроокись олова:

SnCl₂ + 2 H₂O  Sn(OH)₂ + 2 HCl.

Активирование заключается в том, что на поверхности, сенсибилизированной двухвалентным оловом, происходит реакция вос­становления ионов каталитического металла. Обработку прово­дят в растворах благородных металлов, преимущественно палла­дия (PdCl₂ – 0,5-2 г/л, НС1 – 10-20 мл/л) в течение 3-5 мин. Адсорбированные на поверхности плат ионы олова восстанавливают ионы палладия:

Sn²⁺ + Pd²⁺  Pd + Sn⁴⁺.

Атомы палладия являются высокоактивным катализатором для химической металлизации на поверхности диэлектрика. После активации необходимо хорошо промыть заготовки, чтобы не загрязнять ванны химической металлизации. Управление ванной (концентрацией реактивов, величиной рН), чистота ванны (содержание и виды примесей) и степень предварительной очистки плат определяют качество покрытия поверхности палладием, а вместе, с тем качество последующей химической металлизации.

Применяется также одноступенчатая активация в коллоидном растворе, который содержит НСl, катионы Sn²⁺, Sn⁴⁺ и Pd в коллоидной форме (0,1 - 1 г/л). Одноступенчатую активацию проводят при комнатной температуре. Ванну не подвергают регенерации, а эксплуатируют до полной выработки, после чего составляют заново. Для покрытия 100 м² поверхности необходимо примерно 2 г палладия. При одноступенчатой активации в ванне происходят те же процессы, что и при двухступенчатой активации. При погружении ПП в ванну зародыши палладия, как и катионы Sn²⁺ и Sn⁴⁺, адсорбируются одновременно. При последующей промывке ПП в результате реакции воды с ионами Sn получаются гидроксил-хлориды и четырехвалентные соединения олова, при этом продукты гидролиза удаляются, а палладий остается адсорбированным.

Основными проблемами химической металлизации являются низкая производительность, сложность процесса, ис­пользование дорогостоящих материалов. Для устранения указан­ных недостатков разрабатываются методы беспалладиевой метал­лизации, например термохимический. Процесс проводится в раст­воре (г/л): кальций фосфорноватисто-кислый 130-170, медь сернокислая пятиводная 200-250, гипофосфат аммония 6-10, аммиак (25%) 200-300 мл/л. После обработки пла­ты выдерживаются в термошкафу при 100-150°С в течение 8-10 мин. В результате термического разложения комплексной соли гипофосфита меди на поверхности ПП и в монтажных от­верстиях образуется электропроводящее покрытие, которое слу­жит основой для электрохимического наращивания металла.

Конечным продуктом химической металлизации является готовая печатная плата или промежуточная заготовка, которая затем подвергается гальваническому наращиванию. В этом случае безукоризненная химическая металлизация является основой для хорошего качества гальванического покрытия. Во время гальванического процесса наращиваются не только гладкие поверхности химически осажденного слоя металла, но и все выступы, неровности и прочие дефекты. Каждая неровность, вызванная сверлением или травлением, покрывается без малейшего эффекта выравнивания. Так как гальванический слой растет преимущественно вертикально, возникают причудливые образования, которые могут затруднить установку элементов на печатные платы и пайку. Причиной появления пор при химической металлизации могут быть остатки химических растворов очистки и травления в микротрещинах диэлектрика, пористые образования на стенках отверстий. Они являются продуктами распада материала основы, образующимися при очистке и травлении, или следствием грубой механической обработки.

Гальваническая металлизация при производстве ПП приме­няется для усиления слоя химической меди, нанесения металли­ческого резиста (например, олово - свинец толщиной 8-20 мкм с целью предохранения проводящего рисунка при травлении плат, защиты его от коррозии и обеспечения хорошей паяемости), соз­дания на части проводящего рисунка (например, на концевых печатных контактах) специальных покрытий (палладий, золото, родий и т. п.) толщиной 2-5 мкм. Основой для гальванической металлизации является водный раствор солей металла, содержащий осаждаемый материал в виде положительно заряженных ионов. Необходимые для восстановления электроны поступают от внешнего источника постоянного тока. Под действием внешнего напряжения ионы металла движутся к катоду, присоединяют электроны и осаждаются на нем как нейтральные атомы. Примером может служить восстановление меди: Cu²⁺ + 2e^- → Cu. Катодом является предмет, подлежащий покрытию, например ПП. В качестве анода преимущественно используют осаждаемый материал, реже – не растворяющийся платиновый или стальной электрод. Процессы, происходящие на аноде и катоде, имеют сложный характер. Их определяют реакции переноса, проникновения и адсорбции, которые, в свою очередь, зависят от концентрации компонентов ванны и температуры.

Заготовки плат, закрепленные на специальных подвесках - токоподводах, помещают в гальвани­ческую ванну с электролитом. Режим электрохимической металлизации вы­бирают таким образом, чтобы при высокой производительности были обеспечены равномерность толщины покрытия и его адгезия.

Равномерность толщины осажденных слоев зависит от: 1) габаритных размеров металлизируемых плат (с увеличе­нием ПП равномерность покрытий снижается, что может быть частич­но скомпенсировано увеличением расстояния между анодами); 2) диаметров металлизируемых отверстий (отношение диа­метров к толщине платы должно быть не менее 1/3); 3) располо­жения плат в ванне (для улучшения равномерности платы раз­мещают симметрично и параллельно анодам, площадь которых должна в 2-3 раза превышать площадь металлизации при рас­стоянии между электродами не менее 150 мм); 4) оптимальной плотности тока (при низких значениях уменьшается толщина покрытия в центре пла­ты, при высоких происходит утолщение покрытия на углах и кромках платы); 5) наличия специальных экранов между электродами.

Адгезия гальванического покрытия зависит от качества подго­товки поверхности под металлизацию, длительности перерыва между подготовкой поверхности и нанесением покрытия, от со­блюдения режимов процесса.

Для меднения ПП применяют различные электролиты. Рекомендуют для предварительной металлизации борфтористоводородный электролит следующего состава (г/л): Cu(BF₄)₂ – 230-250, HBF₄ – 5-15, Н₃ВО₃ – 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 выравнивающие добавки, а процесс ведут непрерывной подачей свежего раствора меднения непосредственно в сквозные отверстия. Сернокислый электролит имеет состав (г/л); CuS0₄-5 H₂0 – 100-200, H₂S0₄ – 150-180, NaCl - 0,03-0,06.

Электролитический сплав олово-свинец должен иметь состав, приближающийся к эвтектическому, что обеспечит последующее оплавление при минимальной температуре и хорошую паяемость ПП. Это достигается выбором оптимального режима осаждения и строгим его поддержанием. Содержание олова в осадке возрас­тает при понижении плотности тока, увеличении количества вво­димых добавок, снижении температуры электролита, увеличении олова в электролите и сильном его перемешивании.

Повышение объемов производства и требований к качеству ПП, усложнение аппаратуры и ее микроминиатюризация требуют развития перспективных методов электрохимической металлиза­ции и производительного технологического оборудования. Одним из эффективных путей улучшения качества покрытий является использование нестационарных режимов электролиза. Осаждение металла в этом случае проводится под действием периодических токов - импульсного, реверсивного, произвольной формы различ­ной частоты и скважности. Под действием реверсивного тока про­исходит сглаживание микрорельефа покрытия, повышается его равномерность по поверхности платы и в монтажных отверстиях. Это объясняется тем, что во время прямого импульса происходит осаждение металла, а во время обратного - преимущественное растворение выступающих участков. Одновременно снижаются внутренние напряжения в покрытиях, повышается их пластич­ность.

При импульсном токе измельчается структура покрытия (кри­сталл растет во время импульса тока и пассивируется во время паузы), уменьшается пористость, повышается электропроводность покрытия вследствие совершенства структуры и уменьшения включаемых в осадок примесей. Наибольшей эффектив­ностью обладает оборудование, обеспечивающее программное ведение процесса. Оно позволяет на основании модели ТП автоматически изменять форму тока, его амплитуду, частоту, скважность и все временные параметры.

Формирование рисунка печатных плат.

Нанесение рисунка схемы на ПП необходимо для получения защитной маски требуемой конфигурации при осуществлении процессов металлизации и травления. Наиболее распространены в промышленности сеткографический (офсетной печати) и фото­химический методы.

Сеткографический метод получения рисунка ПП основан на применении специальных кислотостойких быстросохнущих кра­сок, которые после продавливания через трафарет закрепляются на поверхности заготовки в результате испарения растворителя. Основными видами специальных трафаретных красок являют­ся следующие: защитные щелочесмываемые; защитные гальваностойкие, смываемые органическим растворителем (хло­ристым метиленом). Для получения маркированных знаков используются трафаретные пентафталевые краски.

Качество наносимого защитного слоя определяется вязкостью используемых трафаретных красок. Ее оптимальная величина устанавливается исходя из температуры, номера сетки, характера изображения, наличия орошения формы и др. При оптимальном значении вязкости краска не должна самопроизвольно растекаться ни по печатной форме, ни по заго­товке, должна легко и равномерно растекаться под воздей­ствием ракеля и продавливаться сквозь отверстия печатающих элементов формы.

Ракель обычно изготавливают из листовой маслобензостойкой резины толщиной около 8 мм и высотой не ме­нее 25 мм. Тщательно отполированная поверхность ракеля обес­печивает высокое качество.

Заготовка в станках трафаретной печати устанавливается с технологическим зазором 2-3 мм. Увеличение зазора приво­дит к повышению четкости рисунка, но одновременно повышается износ сетки. Постепенный отрыв сетки от заготовки в процессе нанесения рисунка уменьшает и его искажение, и износ сетки. Нанесение защитной краски через сетчатый трафарет осуществляется автоматическим оборудованием, которое включает загрузочное устройство, машину для рихтовки плат, сеткографический станок, сушильную печь, накопитель готовых изделий.

Загрузка ПП в станок происходит посредством ленточного конвейера. Подведенная заготов­ка фиксируется в рабочей зоне на штифтах с точностью ±25 мкм и закрепляется при помощи вакуумной системы. Краскодозирующим устройством краска подается в зону обработки, а ракель продавливает ее через ячейки трафарета. В системе управления ракелем регулируется угол наклона, ско­рость движения, давление и диапазон хода. Время, затрачиваемое на один цикл печатания, составляет 5-7 с. Смена трафарета и настройка станка на новый тип плат производится по контроль­ному шаблону. В станках для одновременного нанесения рисунка на две стороны заготовки ПП устанавливается вертикально.

Закрепление краски на заготовке осуществляется сушкой. Краски с органическими растворителями сушат в туннельных конвейерных печах горячим воздухом при температуре 150-180 °С или под действием ИК-излучения. Краски мгновенной сушки, содержащие мономерно - полимерные композиции и фотоинициатор, закрепляются под воздействием ультрафиолетовых лучей. Однако они имеют не­большой срок хранения и высокую стоимость.

Срок хранения отпечатанных плат в условиях производства составляет 3-5 суток. При больших сроках хранения стано­вится затруднительным удаление краски. Снимают трафаретную краску 3-5%-ным раствором горячей (40-60°С) щелочи в течение 10-20 с. Аналогично промываются сетчатые трафареты после работы.

Фотографический метод предусматривает нанесение на поверхность заготовки ПП специальных светочувстви­тельных материалов - фоторезистов, негативных или позитивных. Негативные фоторезисты образуют при воздействии света защитные маски вследствие реакции фотополимеризации, при этом облученные участки остаются на плате, а не­облученные удаляются при проявлении. В позитивных фоторези­стах под действием света происходит фотодеструкция органиче­ских молекул, облученные участки удаляются при проявлении. Фоторезисты могут быть жидкими и пленоч­ными. Жидкие фоторезисты значительно дешевле пленочных, для работы с ними требуется несложное оборудование. Примене­ние пленочных фоторезистов значительно упрощает ТП (исклю­чаются операции сушки, дубления, ретуширования) и обеспечивает нанесение защитных слоев при наличии монтажных отверстий.

Жидкие позитивные фоторезисты на основе диазосоединений имеют повышенную разрешающую способность, химическую стойкость, в них отсутствует темновое дубление. Нано­сят жидкие фоторезисты окунанием, центрифугированием, накат­кой валками, разбрызгиванием. При покрытии окунанием заго­товки погружаются в кювету с фоторезистом и вытягиваются с постоянной скоростью (10-50 см/мин). Толщина слоя опре­деляется вязкостью, скоростью вытягивания и колеблется от 4 до 8 мкм. Способ обеспечивает двустороннее нанесение фоторезиста. Недостатком является неравномерность нанесенного слоя. Применение центри­фугирования и накатки валками приводит к повышению равно­мерности наносимых слоев. Валковые кон­вейерные установки имеют секции инфракрасной сушки резиста.

Сухие пленочные фоторезисты (СПФ) представляют собой структуру, состоящую из свето­чувствительного слоя, который помещается между защитной поли­этиленовой и светопроницаемой лавсановой пленками. Типичная толщина СПФ 20, 40 и 60 мкм, защитных СПФЗ 90, 110, 130 мкм. Тонкие слои СПФ применяют в качестве маски при травлении меди с пробельных мест, сред­ние - для создания рисунка при нанесении слоя металлизации, а толстые - для защиты отверстий с металлизацией при травле­нии. Фоторезисты наносят на платы валковым методом при нагреве до 105-120 °С и плотно прикатывают к поверхно­сти заготовки для удаления воздушных включений. Реализующие этот метод установки называются ламинаторами. Они снабжены терморегуляторами, тарированными устройствами прижима по­дающих валков, устройствами для обеспечения давления на заготовку и обрезания фоторезиста после его нанесения.

Экспонирование предназначено для инициирования фотохими­ческих реакций в фоторезистах. Оно проводится в установках, состоящих из источников света, работающих в ультрафиолетовой области, рефлекто­ров и коллиматоров. Для плотного прилегания фотошаблонов к заготовкам плат используют рамы, оснащенные специальными откачными системами для создания ва­куума.

Для проявления СПФ используют два вида установок: камер­ные для мелкосерийного производства и конвейерные для серий­ного производства. Камерные установки имеют насос для подачи проявителя под давлением, систему струйной промывки, змеевики охлаждения проявителя, таймеры, систему терморегулирования и устрой­ства фильтрации проявителя. Конвейерные уста­новки имеют зоны загрузки, первичного проявления, допроявления и промывки плат. Установки оснащены регуляторами скорости конвейера и давления жидкости, системами охлаж­дения и терморегулирования, основными и вспомогательными на­сосами фильтрации жидкости и отстойниками промывных вод.

После проявления оставшийся фоторезист должен быть твер­дым, блестящим, сплошным покрытием на поверхности заготов­ки с хорошей адгезией к ней, без проколов и других дефектов.

Травление меди с пробельных мест представляет собой сложный окислительно-восста­новительный процесс удаления меди с не­проводящих (пробельных) участков. Травление выполняют хими­ческим или электрохимическим способом. Для химического про­цесса разработаны и используются в промышленности многочис­ленные составы на основе хлорного железа, персульфата аммония, хлорной меди, хромовой кислоты, и др. Выбор травильного раствора определяется типом применяемого резиста, скоро­стью травления, величиной бокового подтравливания, возможностью регенерации и экономичностью процесса.

Скорость травления меди зависит от состава травителя, условий его доставки в зону обра­ботки, температуры раствора и количества меди, перешедшей в раствор. Скорость травления оказывает существенное влияние на качество формируемых элементов ПП. При малых скоростях время пребывания платы в травителе увеличивается, что приво­дит к ухудшению диэлектрических свойств оснований и увеличе­нию бокового подтравливания. Величина бокового подтравливания оценивается фактором травления K=S/a, который представляет со­бой отношение толщины фольги S к величине изменения ширины печатного проводника а. Уменьшают фактор травления введением в используемые растворы специальных добавок: ионы металлов с более низким потенциалом, чем у меди (Ag, Hg, Pt, Pd, Au).

Технологический процесс травления состоит из операций предва­рительной очистки меди, повышающей равномерность ее удале­ния, непосредственно удаления меди с пробельных участков платы, очистки поверхности диэлектрика, осветления при необходимо­сти поверхности металлорезиста и сушки.

Наибольшее распространение в технологии производства ПП получили травильные растворы на основе хлорного железа. Они отличаются высокой и равномерной скоростью травления, малой величиной бокового подтравливания, высокой четкостью получаемых контуров, экономичностью. Скорость процесса в свежеприготовленном растворе составля­ет 40 мкм/мин, но по мере накопления в нем ионов меди постепен­но снижается и при 100 г/л составляет 5-6 мкм/мин. Повышение температуры и рН травителя относительно оптимальных значений приводит к образованию смеси фильтрующейся меди и оксида железа, который адсорбируется поверхностью диэлектрика, с трудом удаляется при промывке и ухудшает изоляционные свойства подложки.

Травитель не пригоден для получения плат, покрытых металлорезистами на основе олова. В этом случае рекомендуется применять раствор персульфата аммония. Он дешевле хлорного железа, быстро при­готавливается на рабочем месте, прозрачен и невязок, не образует шлама при травлении, легко поддается регенерации. Реакция сопровождается выделением тепла, что вызывает необхо­димость стабилизации температурного режима. Травление приво­дит к большому боковому подтравливанию медных проводников, сопровождается зубчатостью краев из-за различия скоростей хи­мических реакций по зернам металла, а рас­твор склонен к саморазложению.

Стабильными параметрами травления характеризуются рас­творы на основе хлорной меди. Разработанные кислые и щелочные составы несколько уступают по скорости растворам хлорного же­леза, но намного их дешевле. В них не образуется шлам, ПП легко отмываются по после обработки, а боковое подтравливание не пре­вышает 3-6 мкм. Отсутствие в растворе посторонних катионов позволяет проводить полную регенерацию в непрерыв­ном замкнутом цикле. Повышение производительности процесса достигается использованием раствора на основе двух окислите­лей - хлорной меди и хлорного железа.

Травление меди в растворе перекиси водорода проводится в кислый среде с добавлением серной или соляной кислоты. Используемые травители совместимы практически со всеми типами резистов. Получаемая H₂S0₄ является химически чистым веществом, лег­ко извлекается и используется для технических целей. При накоп­лении 60-80 кг/м² меди раствор истощается и скорость травления снижается. Полезную емкость по меди до 130 кг/м² имеют соляно-кислые растворы. В них травящей способностью обладают не только ис­ходные компоненты, но и продукты реакции. Процесс травления сопровождается поддержанием со­става ванны и разложением перекиси водорода.

Химическое удаление меди проводится погружением ПП в тра­витель, наплескиванием раствора на их поверхность или разбрыз­гиванием через форсунки. Давление раствора в форсунках колеблется в пределах 0,1-0,5 МПа, а струя подается перпендикулярно поверхности платы или при небольшом отклоне­нии от перпендикуляра. Постоянное обновление окислителя в зоне обработки и удаление продуктов реакции обеспечивают высокую производительность струйному травлению, а траектория струи - незначительное боковое подтравливание. Производительное технологическое оборудование компонуется по модульному принципу и содержит модули травления, регенера­ции, промывки, осветления и сушки, которые объединяются транс­портной системой и системой трубопроводов. Автоматические модульные линии конвейерного типа оснащаются устройствами для контроля кислотности раствора, его температуры и давления в форсунках.

Электрохимическое травление ПП основано на анодном раство­рении меди с последующим восстановлением ионов стравленного металла на катоде. Такой процесс по сравнению с химическим травлением обладает рядом преимуществ: упрощением состава электролита, методики его приготовления, регенерации и очистки сточных вод, высокой и стабильной скоростью травления в течение дли­тельного периода времени, экономич­ностью, легкостью управления и авто­матизацией всех стадий.

Широкое применение электрохи­мического травления сдерживается неравномерностью удаления металла по плоскости платы, что приводит к образованию невытравленных островков. Полностью реализовать преимущества электрохимического метода позволяют подвижные носители заряда, которые представ­ляют собой частицы графита в суспензированном электролите. Эти частицы принимают заряд с анода и переносят его на поверхность меди, переводя последнюю в ионную форму. Использование электрохимического травления сводит к минимуму боковое подтравливание токопроводящих дорожек и обеспечивает разрешающую спо­собность, равную 70-100 мкм, но стоимость технологического оборудования превышает стоимость машин для химического трав­ления.

После удаления меди с пробельных участков ПП промывают холодной проточной водой. Если на поверх­ности металлических резистов (особенно Sn-Pb) в результате химического взаимодействия с травителем образуются нераство­римые соединения, вызывающие потемнение и ухудшение их паяемости, то их осветляют при температуре 18-25 °С в течение 3-5 мин. Растворы осветления готовят на основе кислот и тиомочевины, например (г/л): соляная кислота – 50-60, тиомочевина – 90-100, этиловый спирт – 5-6, моющее средство или поверхностно-активное вещество – 1-10.

Особенности изготовления МПП.

Для изготовления МПП разработано много вариан­тов конструктивно-технологического исполнения, номенклатура их постоянно обновляется и совер­шенствуется. Практический опыт изготовления МПП показывает, что наиболее технологичным является вариант МПП с металли­зацией сквозных отверстий. Он позволяет получать до 20 слоев МПП, характеризуется высокой плотностью, хорошим качеством межслойных соединений, относительной простотой и экономично­стью. При этом методе используются: для наружных слоев одно­сторонний фольгированный диэлектрик, для внутренних одно- или двусторонний фольгированный диэлектрик, а в качестве межслойной изоляции стеклоткань. Из этих материалов изготавливают заготовки, в которых пробивают базовые отверстия для совмещения слоев и производят очистку поверхностей. На за­готовках внутренних слоев рисунок получают с двух сторон нега­тивным фотохимическим методом, выполняя при необходимости контактные переходы химико-гальванической металлизацией. Ри­сунок наружных слоев получают комбинированным позитивным фотохимическим методом. Изготовленные слои совмещают друг с другом по базовым отверстиям, прокладывая между ними межслойную изоляцию, и спрессовывают в монолитную структуру.

Внутренние слои МПП, выполненные на тонком одностороннем фольгированном диэлектрике, после стравливания медного покры­тия склонны к линейной деформации. Поэтому базовые отверстия на технологическом поле заготовок пробивают после операции травления меди, ориентируясь на специальные реперные знаки.

Процесс прессования является одной из важнейших операций изготовления МПП. Монолитность структуры и точность ее элементов обеспечиваются качеством прокладочной стеклоткани, тщательно­стью подготовки слоев, совершенством технологической оснастки и строгим поддержанием режимов прессования.

Прокладочная стеклоткань, которая поступает на сборку па­кетов МПП, должна содержать 45-52% термореактивной эпоксидной смолы с отвердителем, находящейся в состоянии неполной полимеризации. Процентное содержание смолы, растворителя и летучей фракции проверяется при использовании новой пар­тии и через каждые 5 дней применения. При по­ступлении нового материала проводятся опытные запрессовки на технологических платах и контроль их качества при термических испытаниях (нагрев до 120 °С и выдержка в течение 1 ч, термо­удар при температуре 260 °С в течение 10 с).

Прессование МПП проводят в специальной пресс-форме с плоско-параллельными плитами, обеспечивающей точное совмещение и фиксацию слоев с помощью направляющих штырей по углам и через каждые 100-150 мм по перимет­ру плиты. Температурный ре­жим прессования платы предусматривает нагрев пакета до температуры 150-180 °С, удаление летучих ком­понентов смолы по мере расплавления и смачивания слоев пакета, полимеризацию и затвердевание смолы, охлаждение пакета до 30-40 °С. При нагреве пакета для обеспече­ния теплопередачи необходимо предварительное его сжатие и плотное прилегание пресс-формы к плитам пресса. Для этого уста­навливают первоначальное давление (100-300 кПа), которое препятствует удалению летучих компонентов смолы из прокладочной стеклоткани. Высокое давление прессования долж­но быть создано до начала затвердевания смолы в момент жела­тинизации, когда смола перестает течь и вязкость ее нарастает. Приложение высокого давления (1-4 МПа) до момента желатинизации приводит к выдавливанию большого количества жидкой смолы и ухудшению сцепления слоев. Приложение давления после момен­та желатинизации, перешедшей в твердое состояние, приводит к растрескиванию и образованию пустот, ухудшающих связь между слоями. Для объективного контроля момента желатинизации измеряют объемное сопротивление изоляции склеивающих прокладок. Под воздействием температуры по мере разжижения связывающего ве­щества объемное сопротивление падает, достигая минимального значения в момент начала же­латинизации, а затем по мере отверждения связывающего веще­ства увеличивается. Регистрация объемного сопротивления прово­дится датчиком, который изготавливается на технологических полях заготовок из фольги методом травления. При сборке паке­та МПП слои располагают таким образом, чтобы электроды были обращены друг к другу, а между ними помещалась склеивающая прокладка.

Для прессования МПП применяют гидравлические прессы, оборудованные системами нагре­ва и охлаждения плит и устройствами для регулирования технологических режимов. Прессы обеспечивают плоскост­ность и параллельность плит в пределах 0,1 мм, точность поддержания тем­пературы на их плоскости ±3 °С, давления ±3°/о. Для повышения производительности прессования промышлен­ностью выпускаются автоматические линии. Процессы изготовления МПП по­дробно рассмотрены в специальной литературе.

Покрытия и маски для наружных слоев ПП выполняются для защиты медных печатные проводников от окисления, для формирования паяльных масок, для создания износоустойчивых соединителей непосредственного контактирования.

Защитное покрытие печатных проводников серебром в настоящее время не применяется. У серебра обнаружено неприятной свойство: в условиях повышенной влажности под действием электрического поля происходит рост кристаллов-дендритов по поверхности и в глубину изоляционного основания печатной платы, что приводит к уменьшению электрической прочности изоляции.

Введение в конструкцию ПП паяльной маски является необходимым условием, т.к. обычная стеклоэпоксидная основа печатных плат не обладает достаточной теплостойкостью при температурах пайки (220-240 ^оС), и без паяльной маски за время, необходимое для проведения пайки, может происходить поверхностная деструкция материала диэлектрика. По методу формирования рисунка паяльные маски делятся на два типа:

1. Паяльные маски, рисунок которых формируется методом трафаретной печати. Как правило, это составы на эпоксидной основе, отверждаемые термически или ультрафиолетовым (УФ) излучением. При относительной дешевизне их недостатком является низкая разрешающая способность и необходимость использования сеткографического трафарета.

2. Паяльные маски, рисунок которых формируется фотолитографическим методом (фоторезистивные маски). Способ позволяет формировать маски любой сложности и в последнее время получил наибольшее распространение. Для этих целей применяются сухие и жидкие фоторезистивные материалы. Размеры окон в маске на платах 3-го и более высоких классов точности должны превышать размеры контактных площадок на величину от 0,05 до 0,1 мм.

Припой на контактные площадки наносится либо электроосаждением (с последующим оплавлением для снятия пористости осажденного металла) либо непосредственно окунанием платы, защищенной маской, в расплавленный припой. Применяются и другие варианты покрытий, обеспечивающие хорошую паяемость:

• а) Иммерсионная или химическая металлизация золотом, серебром, палладием. Применяется в ПП для аппаратуры ответственного назначения. Иммерсионный слой металла имеет способность самоограничения при росте и обычно очень тонкий (0,05-0,2 мкм).

• б) Органические покрытия, связанные с обработкой меди (составы на основе бензимидазола или имидазола).

Если на плате имеются контакты электрического соединителя непосредственного контактирования, на эти контакты должно наноситься покрытие, дающее стабильное низкое переходное сопротивление и обладающее высокой износоустойчивостью. В таких случаях применяется многослойное покрытие, в верхнем слое которого наносится золото или палладий. Толщина слоя от 0,5 до 2 мкм. Для подслоя золота обычно используют никель, что предохраняет медь от миграции через пористый золотой слой на поверхность.

Контроль и испытания плат.

Технологический процесс изготовления плат, особенно много­слойных, состоит из большого числа операций, при выполнении которых возникают неучтенные возмущения, приводящие к отклонениям выход­ных параметров от номинальных. Контроль и испытание ПП пред­назначены для определения качества изготовленных изделий, под которым понимают степень их соответствия требованиям чертежа, технических условий и стандартов. На повышение качества влияют: 1) входной контроль исходных материалов; 2) соблюдение режи­мов и последовательности операций процесса производства; 3) использование автоматизированного технологического оборудования со средствами активного контроля; 4) организация пооперационного и выходного контроля; 5) проведе­ние испытаний.

Входному контролю подвергается каждая партия поступающе­го на производство диэлектрика, фоторезиста, трафаретной печат­ной краски. Особое внимание уделяется технологическим свойст­вам материалов. Проверяются и постоянно корректируются электрофизические и химические параметры используемых техно­логических сред на операциях травления, металлизации.

Операционный контроль качества проводится после наиболее ответственных технологических операций. Число контрольных то­чек определяется совершенством и стабильностью процесса. Тща­тельно проверяется качество фотошаблонов и сетчатых трафаре­тов, монтажных отверстий, межслойных соединений. На этих операциях стремятся использовать автоматизированное технологическое оборудование с системами управления и контроля.

Основными видами выходного контроля ПП являются: 1) конт­роль внешнего вида; 2) инструментальный контроль геометриче­ских параметров и оценка точности выполнения отдельных эле­ментов, совмещения слоев; 3) проверка металлизации отверстий и их устойчивости к токовой нагрузке; 4) определение целостности токопроводящих цепей и сопротивления изоляции.

Рассмотрим характерные дефекты, имеющие место при изготовлении ПП.

Расслоение многослойной структуры возникает при использо­вании склеивающих прокладок с просроченным сроком годности или низким содержанием смолы, при некачественной подготовке сло­ев перед прессованием, при нарушении режимов прессования или механической обработки контура.

Теми же причинами вызывается отслоение элементов печатного монтажа. Вероятность его увеличивается при применения узких и длинных печатных проводников, занижения размеров контактных площадок по отношению к раз­мерам просверленных отверстий. Дефект может устраняться подклеиванием.

Выход отверстий за пределы контактных площадок наблюда­ется из-за недостаточной точности оборудования и технологической оснастки, смещения слоев при прессовании, де­формации диэлектрических оснований и неправильного базирова­ния ПП при выполнении отверстий. Дефект практически не уст­раняется.

Вздутие происходит, если между слоями остались воздух или влага или при прессовании полное давление прикладывается раньше начала желатинизации клея. Дефект не устраняется.

Коробление плат вызывается несбалансированностью конст­рукции ПП, неоднородностью склеивающего материала, снятием заготовок с пресса до полного охлаждения плит. Уменьшить ко­робление можно терморихтовкой.

Короткие замыкания между элементами печатного монтажа могут быть вызваны некачественным травлением, смещением сло­ев при прессовании, малыми расстояниями между элементами пе­чатного монтажа, попаданием посторонних металлических вклю­чений между слоями МПП при сборке.

Разрыв токопроводящих цепей обусловливается подтравливанием печатных проводников, наличием глубоких царапин на поверхности исходного материала, возникно­вением внутренних напряжений при прессовании, некачественной подготовкой поверхности отверстий перед металлизацией.

Геометрические характеристики ПП - толщина, диаметр от­верстий, расстояние между их центрами, величина коробления, га­баритные размеры и смещение отверстий относительно центра контролируются с помощью инструментов для измерения линейных размеров. Погрешности формы элементов рисунка ПП определяются визуально при (10, 20)-кратном стереоскопическом увеличении.

Проверку металлизации монтажных отверстий проводят разру­шающим или неразрушающим методом. При разрушающем мето­де изготавливают микрошлиф и по нему определяют толщину слоя, равномерность распределения металлизации, структуру по­крытия, его пористость, наличие трещин, качество срастания с элементами печатного монтажа. Экспрессную проверку качества металлизации проводят по калибровочным графикам измерением омического сопротивления контактного перехода при подаче тока 1 А. Границей качествен­ного и некачественного соединений является значение 500 мкОм, которое уточняется для каждого монтажного перехода.

Проверка устойчивости соединений к токовым нагрузкам осу­ществляется на основе многочасовой работы металлизированных отверстий под током 1-3 А. Ослабленные соединения выгорают или в них увеличивается температура, изменение которой эффек­тивно и с высокой точностью контролируется тепловизионными системами.

Целостность токопроводящих цепей и сопротивление изоляции между проводниками проверяются электрическим методом на автоматических тестерах с числовым программным управлением. Печатная плата при помощи контактного устройства соединяется на входе через коммутатор с блоком опроса, а на выходе - с из­мерительным устройством. Контактное устройство представляет собой матрицу из иглообразных подпружиненных контактов, рас­положенных в узлах координатной сетки. На каждую проверяемую цепь подается сигнал 5-12 В, ре­зультат измерения сравнивается с эталонным, и на основании этого сравнения определяется годность цепи. Снабжение блока опроса высоковольтным источником (150-1500 В) позволяет контролировать электрическую прочность изоляции.

Испытания ПП и МПП позволяют в условиях климатических и электрических воздействий оценить их соответствие техническим требованиям, предъявляемым к аппаратуре, и установить скрытые дефекты. Они разделяются на приемосдаточные, периодические и типовые.

Приемосдаточные испытания проводятся партиями не более 1000-1200 шт., изготовленными по одной конструкторской и техно­логической документации, и включают: 1) стопроцентный контроль габаритных и установочных размеров, внешнего вида диэлектри­ческого основания и проводящего рисунка на соответствие конст­рукторской документации, величины изгиба и скручивания, пра­вильности монтажных соединений на отсутствие обрывов и корот­ких замыканий; 2) выборочную проверку (3% от партии, но не менее 3 шт.) сопротивления изоляции в нормальных климатиче­ских условиях при ручном контроле и стопроцентную проверку при автоматизированном; 3) выборочный контроль (1-2 платы от ежедневной выработки) толщины металлизации в отверстиях; 4) выборочную проверку (3% от партии, но не менее 3 шт.) паяемости контактных площадок и металлизированных отверстий, а также их устойчивости к перепайкам.

Периодические испытания ПП и МПП проводятся с целью под­тверждения их эксплуатационных характеристик, правильности выполнения ТП и соответствия конструкторской документации не реже одного раза в шесть месяцев. Для контроля случайным об­разом выбираются платы, прошедшие приемосдаточные испыта­ния в количестве 5 плат при опытном и мелкосерийном производ­стве и 10 плат при серийном производстве. В объем испытаний входят: 1) многократные изгибы ГПП и ГПК (ГПП должны вы­держивать 5-кратный цикл изгибов радиусом 10±0,5 мм, а ГПК 150-кратный цикл изгибов радиусом 3±'0,5 мм на 90° в обе сто­роны от исходного положения); 2) перепайка (5-10) отверстий и (5-10) контактных площадок, проверка паяемости (1-2 платы); 3) проверка омического сопротивления металлизированных отвер­стий (3 шт.) и их устойчивости к кратковременной токовой пере­грузке; 4) проверка в нормальных климатических условиях це­лостности электрических цепей и сопротивления изоляции (но не менее чем на 5 парах проводников, в том числе цепей питания); 5) контроль внешнего вида, целостности соединений и сопротив­ления изоляции после воздействия климатических факторов, уста­навливаемых в зависимости от группы жесткости испытаний по соответствующему стандарту.

Типовые испытания проводятся для определения эффективно­сти внесенных изменений в конструкцию и технологию ПП. Прог­рамма испытаний составляется предприятием, изготавливающим ПП, и согласовывается с разработчиком.