1.3.2. Метод изготовления печатной платы
Основные технологические методы изготовления печатных плат: субстрактивный; аддитивный; полуаддитивный; комбинированный.
Каждому технологическому методу изготовления ПП присущи характерные способы нанесения рисунка проводников и способы формирования токопроводящего покрытия на диэлектрическом основании ПП [4]. Здесь важно отметить различие в терминах: рисунок проводников – это графический рисунок, показывающий места будущего расположения токопроводящего покрытия, а токопроводящее покрытие (или токопроводящий рисунок) – это непосредственно сами металлические проводники.
1.3.2.1. Субстрактивные методы
Субстрактивный метод является наиболее подходящим как для простых, так и для сложных конструкций печатных плат. Основанием ПП является фольгированный (как правило, медью) диэлектрик. На фольгированную основу с помощью пленки, устойчивой к травлению, наносится проводящий рисунок, а затем незащищенные пленкой места стравливаются (рис. 1.3).
Рисунок проводников наносится полиграфическими методами: фотолитографией (с помощью фотошаблона и фоторезиста1), трафаретной печатью (с помощью специальной химически стойкой к травлению краски) и т. д. Токопроводящее покрытие на основании ПП может формироваться тремя способами: химическим травлением в специальных растворах, механическим удалением лишнего проводящего покрытия при помощи режущего инструмента или лазерным гравированием, при котором ультрафиолетовые лазеры способны испарять медь с поверхности диэлектрика.
Химический метод при высокой производительности обладает низкой себестоимостью, а также возможностью автоматизации технологического процесса. Однако, процесс имеет низкую плотность компоновки и большое количество отработанных травильных растворов.
Механический метод отличается малой ресурсоемкостью и экологичностью. Несмотря на то, что метод имеет относительно небольшой технологический цикл (более 4 часов), он не применим для серийного производства. Кроме того, из-за большого расхода фрез себестоимость платы возрастает.
Лазерные методы минимально травмируют поверхность основания, высокопроизводительны, имеют очень высокое разрешение, но пока это оборудование слишком дорого для широкого производства.
Рис. 1.3. Схема субстрактивного метода изготовления ПП:
1 – фотошаблон; 2 – защитная пленка; 3 – фоторезист;
4 – фольга; 5 – основание ПП
1.3.2.2. Аддитивные методы
В аддитивных методах в качестве основания ПП используются нефольгированные диэлектрики, на которые в нужных местах тем или иным способом наносится токопроводящий рисунок. Разновидности метода определяются способами и избирательностью металлизации поверхности основания ПП.
В большинстве аддитивных процессов полностью отсутствуют процессы травления, в этом смысле они являются экологически чистыми. Сопутствующие им процессы (отмывка от технологических растворов, избыточность растворов химической металлизации при корректировке и т. д.) загрязняют промышленные стоки в степени гораздо меньшей, чем субстрактивные технологии.
Рисунок проводников переносится на основание ПП следующими способами: фотолитографией фоторезиста, закрывающего в нужных местах участки, неподлежащие металлизации (с помощью фотошаблона) – для метода толстослойной химической металлизации (ТХМ); избирательным фотоочувствлением катализатора, предварительно нанесенного на основание ПП (с помощью фотошаблона или сканирующего луча) – для фотоаддитивного метода ТХМ; трафаретной печатью (для паст и красок); масочные защиты (для вакуумной и ионоплазменной металлизации).
Токопроводящие элементы можно создать: химическим восстановлением металлов на катализированных участках диэлектрика – метод ТХМ; переносом рисунка, предварительного вырезанного на металлическом листе, на диэлектрическое основание ПП; нанесение токопроводящие паст и красок типографским способом; восстановительным вжиганием металлических паст в поверхность диэлектрика; вакуумным или ионоплазменным напылением; выштамповыванием проводников.
Рассмотрим несколько примеров формирования токопроводящего покрытия по аддитивной технологии.
Фотоаддитивный метод. На всю поверхность нефольгированного основания ПП с заранее просверленными отверстиями под металлизацию наносится фотоактивируемый катализатор. Далее через фотошаблон происходит активация катализатора высокоэнергетической экспозицией, и на активированных участках печатной платы (проводников и отверстий) осуществляется толстослойное химическое меднение. Напомним, что на фотошаблоне-негативе прозрачны участки проводников, а на фотошаблоне-позитиве прозрачными являются пробельные места платы. Достоинства: использование нефольгированных материалов, возможность получения тонкого покрытия. Недостатки: длительность технологического цикла; длительность контакта незащищенных участков диэлектрика с растворами меднения, что ухудшает свойства изоляции (рис. 1.4).
Аддитивный метод. На нефольгированное основание ПП с заготовленными отверстиями наносится катализатор, затем фоторезист. С помощью негативного фотошаблона фоторезист проявляется, и обнажаются участки под проводники и отверстия с нанесенным катализатором, которые впоследствии подвергаются толстослойной химической металлизации. К преимуществам можно отнести использование нефольгированных материалов, наличие защитного слоя фоторезиста на изоляционных участках платы. К недостаткам: длительность процесса металлизации, необходимость использования фоторезиста, устойчивого к влиянию металлизирующих растворов.
Рис. 1.4. Схема фотоаддитивного метода изготовления ПП:
1 – фотокатализатор; 2 – основание ПП; 3 – фотошаблон-негатив
Нанесение токопроводящих красок или металлонаполненных паст. Токопроводящая краска наносится методом трафаретной печати. Для формирования проводящего покрытия с помощью металлонаполненных паст выполняется следующая последовательность действий. На станке с ЧПУ в диэлектрическом основании высверливается рельеф (углубления), в котором будут располагаться проводники, затем на станке трафаретной печати углубления заполняются металлонаполненной пастой, излишек пасты убирается, и заготовка отправляется на термообработку в печь с нейтральной средой. В печи связующий материал пасты выгорает, металлические частицы спекаются, и образуется проводник и контактная площадка. Далее с помощью станка с ЧПУ сверлятся сквозные отверстия, заполняются пастой и после термообработки, в полученных заполненных металлом участках сверлятся отверстия. Главные проблемы этого метода заключаются в создании покрытия нужной проводимости, которая решается увеличением температуры термообработки и использованием термостойких изоляционных материалов.
Метод горячей запрессовки металлического порошка. На нефольгированное основание наносится металлическая пудра (порошок), а затем горячим прессом с заранее высверленным рельефом, соответствующим топологии схемы, порошок впрессовывается в основание подложки. На пробельных местах порошок не закрепляется и удаляется. Штамп может одновременно вырубать отверстия и контур плат. Этот метод широко распространен для массового тиража из дешевых материалов подложек (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Схема метода горячей запрессовки металлического порошка:
1 – горячая плита штампа; 2 – свободно нанесенный металлический порошок;
3 – полуотвержденное или термопластичное полимерное основание (подложка);
4 – впрессованный в подложку металл; 5 – отвержденный полимер (подложка)
Штампование. Медную фольгу сматывают, покрывают клеящим веществом и подают в штамповальный пресс, на котором заготовлен рельеф, соответствующий топологии схемы. Острыми выступающими кромками рельефа штампа фольга вырубается и впрессовывается в диэлектрическое основание. Нагретый штамп помимо впрессовывания края фольги, расплавляет клеящее вещество, обеспечивая прочное сцепление фольги с основанием. После сверления отверстий плата вновь нагревается под давлением, для того, чтобы клеящее вещество окончательно отвердело (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Схема метода штампования:
1 – штамп; 2 – фольга; 3 – клей; 4 – диэлектрическое основание (положка)
Метод переноса. В этом способе проводящий рисунок создается на временных «носителях» – листах нержавеющей стали, покрытых гальванически осажденной медью. На слой меди наносится фоторезист, который проявляется с помощью фотошаблона-негатива – в результате изолированные участки схемы покрыты выступающим фоторезистом, а на участках проводников фоторезист отсутствует. В углубления фоторезиста, на медь, осаждается тонкий слой никеля. Затем фоторезист убирают, и выступающие части никеля, соответствующие токопроводящему рисунку, впрессовывают в диэлектрик. Таким образом, токопроводящий рисунок из меди, покрытый слоем никеля, переносят на диэлектрическое основание – отсюда название «метод переноса». Далее медные участки, незащищенные никелем, стравливают (рис. 1.7).
Основное преимущество этого метода в том, что печатную схему изготовляют одновременно с основанием. Методом переноса могут быть напечатаны одно- и двусторонние печатные платы.
1.3.2.3. Полуаддитивные методы
Полуаддитивные методы созданы для того, чтобы уйти от длительных процессов толстослойной химической металлизации, заменив их на надежные высокопроизводительные методы электрохимические (гальванические) методы металлизации. Для электрохимических методов необходим токопроводящий подслой. Его создают любым способом, удовлетворяющим по проводимости и прочности сцепления с подложкой: химическим осаждением тонкого слоя металла (до 1 мкм) в течение 15 минут; вакуумным напылением металла и т. д.
Рассмотрим некоторые полуаддитивные методы.
Рис. 1.7. Схема метода переноса:
1 – тонкая медная металлизация; 2 – временный носитель; 3 – фоторезист;
4 – фотошаблон-негатив; 5 – медь (30 – 50 мкм); 6 – никель (2 – 3 мкм);
7 – основание ПП
Классический полуаддитивный метод. На диэлектрическое основание наносится тонкий проводящий подслой, далее он покрывается фоторезистом, который затем проявляется через негативный фотошаблон. В рельефе проявленного фоторезиста электрохимически наращивается металл до толщин, обеспечивающих необходимую прочность и проводимость. Сверху наносится металлорезист (металл, устойчивый к травлению), например, олово или серебро. После этого фоторезист удаляют, и в пробельных местах обнажается тонкий проводящий подслой, который теперь не нужен и подлежит удалению методом травления. Стравливание тонкого подслоя связано с гораздо меньшими затратами на отчистку промышленных стоков, чем при травлении фольги. Кроме того, стравливание подслоя не создает такого подтравливания проводников, как при субстрактивных методах. К недостаткам этого метода можно отнести недостаточную адгезию (степень сцепления проводников с основанием), а к достоинствам – использование нефольгированных материалов и хорошее воспроизведение тонких проводников.
Аддитивный метод с дифференциальным травлением. Отличается от классического тем, что в нем нет слоя металлорезиста, и для формирования проводников используется разница толщин осажденного проводящего слоя и тонкого проводящего подслоя. Проблема этого метода заключается в выдерживании равномерной толщины покрытия, как проводящего слоя, так и подслоя – иначе где-то проводящий слой будет перетравлен, где-то не вытравлен. Достоинства: высокое разрешение рисунка и малые расходы на нанесение металлорезиста. Недостатки: сложность управления дифференциальным травлением.
Рельефные платы. Рельефные платы представляют собой диэлектрическое основание, в которое углублены медные проводники, выполненные в виде металлизированных канавок, и сквозные металлизированные монтажные отверстия. В начале процесса на диэлектрическом основании выполняется рельеф проводников – углубление по трассам проводников и сверление отверстий. Далее вся поверхность платы и отверстия металлизируются медью, и сверху покрывается защитным слоем резиста – кислотостойкой краской. Затем защитный слой с пробельных мест удаляется шлифовкой, и обнажаются пробельные места, подлежащие травлению. В углублениях платы при этом остается слой меди, покрытый защитной краской. Медь с пробельных мест вытравливается, защитный слой краски из углублений удаляется, и производят лужение проводящего рисунка путем погружения заготовки в ванну с легкоплавким припоем.
1.3.2.4. Комбинированные методы
Комбинированные методы объединили в себе все особенности других методов. В зависимости от последовательности операций формирования печатных проводников и металлизированных отверстий различают комбинированный позитивный и комбинированный негативный методы. Названия эти способы получили от фотошаблона, применяемого при создании защитного рельефа: в первом случае при экспонировании рисунка используется негатив (относительно защитного рельефа) печатной схемы, во втором – позитив.
Комбинированный негативный метод. За основу берется фольгированный диэлектрик, на который наносят слой фоторезиста. Используя негативный фотошаблон, проявляют фоторезист. Т. к. фотошаблон является негативом относительно защитного рисунка, то в результате фоторезистом остаются покрытыми только участки проводников. Пробельные места рисунка платы, непокрытые фоторезистом, подвергаются травлению. Затем вся поверхность платы покрывается защитным лаком, и в местах контактных площадок сверлятся сквозные отверстия. Таким образом, внутренняя поверхность отверстий, непокрытая лаком, подвергается металлизации, после чего лак с поверхности платы удаляется, а затем удаляется и фоторезист с поверхности проводников. Итогом является готовая печатная плата с нанесенным токопроводящим рисунком проводников и с металлизированными сквозными отверстиями для монтажа (рис. 1.8). Недостатки метода заключаются в следующем. Во-первых, при металлизации отверстий, незащищенные участки диэлектрика насыщаются химическими растворами и получают за счет этого дополнительную проводимость, и, таким образом, надежность изоляции плат при таком методе изготовления – низкая. Во-вторых, при отделении слоя лака возможны повреждения контакта печатных проводников со слоем металла в отверстиях. Достоинство метода, состоящее в том, что отверстия можно сверлить по уже сформированному токопроводящему рисунку, т. е. в местах контактных площадок, имеет смысл только в случае ручного сверления отверстий. В связи с этим негативный метод уступил в распространении позитивному.
Рис. 1.8. Схема комбинированного негативного метода:
1 – диэлектрическое основание ПП; 2 – фольга; 3 – фоторезист; 4 – слой лака
Комбинированный позитивный метод. С появлением станков с ЧПУ применение негативных методов из-за нетехнологичности стало практически невозможным. В позитивных методах травление проводящего рисунка осуществляется после металлизации отверстий. За основу, как и в негативном методе, берется фольгированный материал и на станке с ЧПУ сверлятся отверстия, в которые затем подвергаются предварительной тонкой гальванической металлизации. Далее на всю поверхность платы наносится и проявляется с помощью позитивного (относительно защитного рисунка) фотошаблона слой фоторезиста. В этом случае пробельные места платы остаются покрытыми фоторезистом, а на участках проводников, свободных от фоторезиста, и в отверстиях с тонким слоем металлизации проводится основная гальваническая металлизация. Таким образом, проводящим материалом покрыты участки проводников и внутренняя поверхность отверстий. Затем на проводящем слое осаждается металлорезист. С пробельных мест платы удаляется фоторезист, обнажившаяся поверхность платы с тонкой металлизацией вытравливается, а затем с участков проводников удаляется металлорезист. Преимущества метода: высокая разрешающая способность воспроизведения любых печатных элементов, защита изоляционной поверхности тонкой металлизацией от технологических растворов, хорошая прочность сцепления (адгезия) проводников с диэлектрическим основанием. Недостатки метода: относительно большая глубина травления создает дополнительный подтрав проводников, травление рисунка по металлорезисту ограничивает выбор травильных растворов.
Тентинг-метод. Метод является усовершенствованием комбинированного позитивного метода. Суть тентинг-метода заключается в том, что вместо металлорезиста используется прочный сухой пленочный фоторезист. Он позволяет надежно закрыть и защитить проводники и особенно отверстия от травильных растворов при травлении слоя тонкой металлизации. Основное достоинство метода состоит в сокращении производственных затрат на осаждение и удаление металлорезиста. Недостатки: меньшая трассировочная способность за счет увеличения размеров контактных площадок под отверстия с целью надежного покрытия отверстий пленочным фоторезистом.