Производство многослойных печатных плат. Что представляет из себя печатная плат а? Шелкография или маркировка

Конструирование печатных плат и технология их изготовления настолько связаны друг с другом, что х отдельное рассмотрение на представляется возможным. Размещая компоненты схемы или элементы проводящего рисунка на поверхности основания печатной платы, выбирая конфигурацию и размеры печатных проводников и контактных площадок, конструктор всегда имеет в виду возможности и ограничения того технологического процесса, который будет использован при производстве печатной платы и печатного узла. Многочисленные рекомендации и наставления, приведенные в нормативно-технических документах по конструированию ПП, не досужая придумка чиновника от радиоэлектроники, а отражение реальных возможностей современного производства.

Достаточно подробно основные моменты конструирования печатных плат рассмотрены в методических указаниях /1/. Здесь же отметим лишь один основополагающий аспект конструирования ПП.

С целью упрощения технологического оборудования с самого начала использования печатных плат было принято соглашение о том, что расстояния между выводами устанавливаемых элементов должны быть кратны 2,5 мм. Поэтому при конструировании ПП используется специальная координатная сетка из горизонтальных и вертикальных линий с шагом 2,5 мм, в узлах которой конструктор стремится располагать центры монтажных (куда вставляются выводы элементов) и крепежных отверстий. Печатные проводники также стараются проводить вдоль линий этой сетки. В дальнейшем в связи с постепенным переходом от монтажа в отверстия к монтажу на поверхность печатной платы (когда для закрепления вывода элемента в плате уже не сверлится монтажное отверстие, а формируется лишь плоская контактная площадка) появилось оборудование и элементы, использующие шаг 1,25 и 0,625 мм. Очевидно, что уменьшение шага сетки требует перехода на новый более дорогостоящий вид технологического оборудования и разработки новых конструкций компонентов схемы. Но, по-видимому, переход к монтажу на поверхность является магистральным направлением развития современных РЭС.

Виды печатных плат и их характеристики

Процесс конструирования печатной платы, как указано в /1/, начинается с выбора вида ПП. Конструктивно-технологические разновидности печатных плат (ПП), используемые в современном производстве, представлены на рис. 6.1. В зависимости от числа нанесенных проводящих слоев ПП разделяют на одно-, двухсторонние и многослойные.

Односторонние печатные платы выполняются на листовом слоистом или рельефном литом основании без металлизации или с металлизацией монтажных отверстий. Общим недостатком плат без металлизации отверстии является частое отслаивание и обрывы
проводников в местах закрепления выводов компонентов. Платы на слоистом диэлектрике просты по конструкции и экономичны в изготовлении. Их применяют для монтажа бытовой аппаратуры, блоков питания и устройств техники связи. Низкие затраты, высокую технологичность и нагревостойкость имеют рельефные (трехмерные) литые ПП, на одной
стороне которых расположены элементы печатного монтажа, а на другой объемные элементы (корпуса соединителей, периферийная аппаратура для крепления деталей и ЭРЭ, теплоотводы и т.д.). В этих платах за один технологический цикл получается вся
конструкция с монтажными отверстиями и специальными углублениями для расположения ЭРЭ, монтируемых на поверхность. В настоящее время технология рельефных ПП интенсивно развивается.

Двухсторонние печатные платы (ДПП) имеют проводящий рисунок на обеих сторонах диэлектрического или металлического оснований. Электрическая связь слоев печатного монтажа осуществляется с помощью металлизации отверстий. Двухсторонние печатные платы обладают повышенной плотностью монтажа и надежностью соединений. Они используются в измерительной технике, системах управления и автоматического регулирования. Использование металлических оснований позволяет решить проблему теплоотвода в сильноточной и радиопередающей аппаратуре.

Многослойные печатные платы (МПП) состоят из чередующихся слоев изоляционного материала и проводящего рисунка, соединенных клеевыми прокладками в монолитную листовую структуру путем прессования. Электрическая связь между проводящими слоями выполняется специальными объемными деталями, печатными элементами или химико-гальванической металлизацией. Платы характеризуются высокой плотностью монтажа, надежностью, устойчивостью к климатическим и механическим воздействиям. Однако большая трудоемкость изготовления, высокая точность рисунка и совмещения отдельных слоев, необходимость тщательного контроля на всех операциях, низкая ремонтопригодность, сложность технологического оборудования и высокая стоимость позволяют применять МПП для тщательно отработанных конструкций электронно-вычислительной, авиационной и космической аппаратуры.

Гибкие печатные платы (ГПП) конструктивно оформлены также как ОПП или ДПП, но выполняются на эластичном основании толщиной,1…0,5 мм. Они применяются в тех случаях, когда плата в процессе эксплуатации подвергается вибрациям, многократным изгибам или ей после установки ЭРЭ необходимо придать компактную изогнутую форму. Разновидностью ГПП являются гибкие печатные кабели (ГПК), которые состоят из одного или нескольких непроводящих слоев с размещенными печатными проводниками. Толщина ГПК колеблется от 0,06 до 0,3 мм. Они широко применяются для межсоединений узлов и блоков РЭС, так как занимают меньшие объемы и легче круглых жгутов и кабелей, а их производство может осуществляться непрерывно на рулонном материале. Проводные печатные платы представляют собой диэлектрическое основание, на котором выполняется печатный монтаж или отдельные его элементы (контактные площадки,
шины питания и заземления), а необходимы электрические соединения проводят изолированными проводами диаметром 0,1…0,2 мм. Эти платы нашли применение на этапах макетирования, разработки опытных образцов, в условиях мелкосерийного выпуска, когда производство МПП неэкономично. Трехслойная проводная плата эквивалентна по монтажу 8…11-слойной МПП. При этом сокращается количество необходимой технологической оснастки и применяемых операций. Разработано специальное технологическое оборудование (типа станков с ЧПУ), которое позволяет осуществлять автоматизированное соединения проводами по заранее заданной программе.

Современные методы изготовления ПП принято разделять на две группы: аддитивные и субтрактивные

1. Субтрактивные методы изготовления

В субтрактивных методах в качестве основания для печатного монтажа используют фольгированные диэлектрики, и проводящий рисунок формируется путем удаления фольги с непроводящих (пробельных) участков. Разрешающая способность (0,2-0,3 мм) определяется подтравливанием проводников при удалении пробельных мест и увеличивается с уменьшением толщины медной фольги.

Субтрактивный химический способ используется при изготовлении односторонних печатных плат и включает следующие основные технологические операции:

– вырезание из листа фольгированного диэлектрика заготовки печатной платы заданных размеров и конфигурации; – сверление на станках с ЧПУ монтажных отверстий в заготовке;

– защита будущих проводников и контактных площадок материалом, стойким к действию травителей меди (краска, фоторезист). Используется сеткография, фотолитография или

офсетная печать;

– стравливание пробельных мест, не защищенных на предыдущем этапе, в
специальных растворах (используется, например, водный раствор хлорного железа или хлорной меди с необходимыми добавками);

– удаление защитного рисунка и маркировка платы.

Для изготовления двухсторонних печатных плат с химико-гальванической металлизацией отверстий используются комбинированные методы – позитивный и негативный.

Комбинированный позитивный способ включает следующие технологические операции:

– получение заготовки из листа диэлектрика фольгированного с двух сторон, сверление и очистка отверстий;

– химическое меднение (осаждение тонкого слоя меди из раствора ее
соли) поверхности печатной платы и монтажных отверстий;

– нанесение методами фотолитографии, сеткографии или офсетной печати защитного рисунка на пробельные (обратите внимание!) места;

– наращивание слоя меди на поверхности проводников и в
монтажных отверстиях в гальванических ваннах (осаждение меди под действием электрического тока); – нанесение гальваническим способом защитного слоя металла, стойкого к действию травителей меди на проводники и в монтажные отверстия (в частности, может использоваться олово);

– удаление защитного рисунка с пробельных мест и травление меди;

– промывка, контроль и маркировка платы.

Особенностью (и недостатком!!) позитивного метода является гальваническое нанесение на проводники и в монтажные отверстия защитного металлического слоя. Это непростая технологическая операция, во время которой заготовка подвергается длительному воздействию агрессивной химической среды, ухудшающей ее диэлектрические свойства.

В комбинированном негативном методе эта операция не используется и последовательность действий следующая:

– получение двухсторонней заготовки и сверление отверстий;

– нанесение защитного рисунка на проводники и контактные площадки и травление меди с пробельных мест;

– химическое меднение отверстий; – гальваническое наращивание слоя меди в отверстиях и на проводниках; – промывка, контроль и маркировка печатных плат.

Для гальванического осаждения меди необходимо, чтобы проводящий рисунок на плате составлял единую электрическую цепь. В комбинированном негативном способе для этого используются технологические перемычки или специальные контактные устройства. Поэтому его разрешающая способность несколько ниже, чем у позитивного способа.

Аддитивные методы изготовления

Аддитивные методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание. По сравнению с субтрактивными они обладают следующими преимуществами:

– однородностью структуры, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином химико-гальваническом процессе; – устраняют подтравливание элементов печатного монтажа;

– улучшают равномерность толщины металлизированного слоя в

отверстиях;

– повышают плотность печатного монтажа (ширина проводников составляет 0,13…0,15 мм); – упрощают технологический процесс, исключая ряд операций (нанесение защитного покрытия, травление) и делают его более экологически чистым;

– экономят медь, химикаты для травления и затраты на нейтрализацию сточных вод;

– уменьшают длительность производственного цикла.

По способу создания токопроводящего покрытия аддитивные методы разделяются на химические и химико-гальванические. При химическом процессе на каталитически активных участках поверхности диэлектрического основания происходит химическое восстановление ионов металла. В разработанных растворах скорость увеличения толщины покрытия
составляет-4 мкм/ч и для достижения необходимой величины 20-25 мкм требуется значительное время. В химико-гальваническом методе химическим способом получают лишь сравнительно тонкий проводящий слой металла (1-5 мкм), который затем избирательно усиливают более производительным электролитическим осаждением. Предварительная химическая металлизация при этом должна обеспечивать электрическое соединение всех элементов печатного монтажа.

Несмотря на указанные значительные преимущества, применение аддитивных методов в массовом производстве ПП ограничено низкой производительность, интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик, трудностью получения металлических покрытий с хорошей адгезией. В настоящее время доминирующей является все же субтрактивная технология, особенно с переходом на фольгированные диэлектрики с тонкой фольгой (5 и 8 мкм вместо 35 и 50 мкм).

Печатно-проводные платы

Широкие технические возможности проводного монтажа, его экономичность в условиях мелкосерийного производства привели к разработке программируемого автоматического оборудования и многочисленных технологических вариантов реализаций: стежковый, многопроводный с фиксированием проводов, незакрепленными проводами.

Стежковый монтаж представляет собой процесс трассировки электрических цепей по кратчайшим расстояниям на поверхности двухсторонней печатной платы, имеющей контактные площадки и монтажные отверстия, при помощи изолированных монтажных
проводов, которые образуют в монтажных отверстиях петли, подпаиваемые к контактным площадкам. Монтажная плата при этом изготовляется по типовой технологии, но ее основными элементами являются не проводники, а контактные площадки для подсоединения планарных выводов ИС, ЭРЭ, соединителей, монтажные отверстия под петли и контактные
площадки для распайки петель. В качестве диэлектрического основания применяют стеклотекстолит с толстым медным слоем (СФ-2Н-50), что позволяет улучшить теплоотвод и исключить отслаивание контактных площадок при пайке на них петель. Монтаж ведут
изолированными проводами (например, марки ПЭВТКЛ) диаметром 0,08…0,2 мм.

Изготавливаемая монтажная плата собирается в специальном приспособлении в пакет, который состоит из нескольких слоев кабельной бумаги, эластичной резины и листа плотной резины. Трассировка и прошивка платы осуществляется пустотелой иглой, с расположенным внутри монтажным проводом. Игла проходит сквозь монтажное отверстие в плате и прокалывает слои эластичной резины, которые задерживают провод при обратном ходе иглы. Так образуются монтажные петли. Для укладки провода используют ручные прошивочные карандаши или станки с ЧПУ. После окончания прошивки со стороны
проводов на плату накладывается металлическая пластина со слоем губчатой резины для поджатия проводов. С монтажного приспособления последовательно снимаются слои твердой и эластичной резины. Оставшиеся слои кабельной бумаги защищают плату при
лужении проволочных петель и удаляются после выполнения этой операции. Лужение петель проводят вручную паяльником или погружением в ванну с припоем. Подгибка и
пайка петель также проводится вручную или на станках с ЧПУ. Несмотря на то, что отдельные операции стежкового монтажа автоматизированы, производительность и эффективность всего процесса невелика.

Многопроводный монтаж с фиксированием основан на прокладывании изолированных проводов по поверхности ПП, на которую нанесен адгезионный слой, фиксировании в этом слое и соединении с проводящими элементами платы.

При монтаже незакрепленными проводами проложенные проводники сразу же соединяются с контактными площадками ПП пайкой или сваркой. Сварка обеспечивает более надежное соединение элементов в условиях вибрационных и ударных нагрузок.

Литература по теме

1. Блохин С.В., Лопаткин А.В., Петров В.В. Конструирование печатных узлов: Методические указания к лабораторной работе N1 по дисциплине “Основы конструирования и технологии РЭС”. -Н. Новгород, НГТУ, 1993. -21 с.

2. Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры: Уч. для вузов/Под ред. А.П. Достанко и Ш.М. Чабдарова.-М.: Радио и связь, 1989. -624 с.

3. Блохин С.В., Лопаткин А.В., Петров В.В. Конструирование печатных узлов: Методические указания к лабораторной работе N1 по дисциплине “Основы конструирования и технологии РЭС”. -Н. Новгород, НГТУ, 1993. -21 с.

4. Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры: Уч. для вузов/Под ред. А.П. Достанко и Ш.М. Чабдарова.-М.: Радио и связь, 1989. -624 с.

Печатная плата, она же «Printed Circuit Board» на английском, является монтажной площадкой для микросхем, конденсаторов, резисторов, диодов и прочих деталей. Таковая присутствует практически в каждом более менее серьёзном электронном устройстве. В радиоприёмниках, телевизорах, мобильных телефонах, всяких других приборах. Если вы снимете крышку корпуса настольного ПК, то увидите одну большую плату, материнскую , а также несколько поменьше. В общем, будем разбираться с сутью столь распространённого явления.

Суть простыми словами

Основа для платы изготавливается так: берётся диэлектрический материал (не проводящий ток), к нему намертво приклеивается слой медной фольги. В качестве диэлектрика выступает гетинакс или стеклотекстолит. Для приборов, работающих в диапазонах сверхвысоких частот - фторопласт. Фольга может быть приклеена с двух сторон, если одной мало. И даже находиться внутри в качестве дополнительного проводника в многослойной плате.

Итак, пластина из гетинакса или более надёжного текстолита обрезается до нужного размера. Затем на ней печатается рисунок из дорожек-проводников. Используется лак, устойчивый к кислоте.

Конечно, предварительно разрабатывается схема этих дорожек, служащих электрическими соединениями между деталями. Разрабатывается так, чтобы монтаж получился компактным. Бывает, рисунок доводится печатать на двух сторонах, если схема сложная и одного слоя фольги недостаточно для обеспечения всех соединений.

После того, как изображение дорожек нанесено, осуществляется процесс вытравливания платы. Вернее, не самой платы, а лишних участков меди, не закрытых лаком. Например, с помощью соляной кислоты, смешанной с концентрированной перекисью водорода.

Удалить лишнюю медь можно механически - фрезеровкой, ну или вроде того. Также иногда применяется продвинутая технология - выжигание лазером. Называется «лазерная гравировка».

Лак счищается (ежели способ был химическим), а медные дорожки подвергаются процессу лужения – покрываются тонким слоем расплавленного припоя (олова с разными добавками). После чего в плате просверливают дырочки для вставки контактов деталей (выводов).

Вставленные (с другой стороны) детали припаиваются контактами к дорожкам – и электронная начинка прибора готова к размещению в надлежащем месте (внутри корпуса).

Если монтаж односторонний, то дырочки не сверлят, детали припаивают прямиком к рисунку дорожек. В смысле, монтируют с той же стороны, где эти самые дорожки расположены.

Вместо самих деталей нередко припаиваются гнёзда («площадки») для вставки разных микросхем, боящихся воздействия высокой температуры. Ну и ещё всякие разъёмы, слоты etc.

Разновидности

Вкратце разновидности печатных плат можно описать примерно так:

1. односторонние, с фольгой только на одной стороне (не путать с односторонним монтажом);
2. двусторонние (фольга приклеена к обеим поверхностям);
3. многослойные (фольга есть и внутри);
4. гибкие, из полиимида, чтобы можно было, загнув края, втискивать туда, где не хватает места для обычной, жёсткой (сюда же можно отнести гибко-жёсткие, гнущиеся частично);
5. содержащие под диэлектриком металлическую основу, к примеру, из алюминия, служащую радиатором (вот тут-то без одностороннего монтажа никак не обойтись).

Проектирование

Спроектировать и нарисовать схему дорожек-проводников вручную можно без особого труда, если речь идёт о совсем уж простеньком устройстве. А для создания сложных рисунков применяется специальное программное обеспечение .

Например, «OrCAD» от конторы «Cadence Design Systems», «Altium Designer» (замена устаревшей «P-CAD» от фирмы «Altium»), а также программа с довольно юмористичным названием «TopoR» (расшифровывается как «Topological Router») от российской компании «Эрмекс». Правда, до полноценности этому продукту ещё далеко.

Подобные программы входят в категорию «САПР» (что расшифровывается как «система автоматизированного проектирования»).

Обращение

К гетинаксу медная фольга приклеивается не так качественно, как к стеклотекстолиту, поэтому дорожки могут отслаиваться, если что-то выпаивать, вытаскивать и впаивать замену. Да и стеклотекстолит тоже не идеален.

В общем, если в вашем компьютерном устройстве с истёкшим сроком гарантии необходимо заменить, к примеру, раздувшийся электролитический конденсатор, то лучше доверьте это дело специалисту. Не пытайтесь сэкономить на ремонте, даже если сами умеете пользоваться паяльниками с тонким жалом и теплоотводами.

Многослойные печатные платы

К атегория:

Производство радиоаппаратуры

Многослойные печатные платы

Требования к уменьшению веса и объема радиоаппаратуры вызывают необходимость повышения плотности монтажа, что приводит к необходимости улучшения как конструкции, так и технологии соединений деталей и функциональных узлов.

Наиболее широко используемым способом размещения в малом объеме большого числа проводников, соединяющих отдельные схемы является применение многослойных печатных плат. Многослойная печатная плата состоит из ряда наложенных друг на друга слоев, в которых образованы соединительные проводники для передачи сигналов, проводящие поверхности для подвода питающих напряжений, прокладки заземляющих цепей и контактные площадки или выступы Для присоединения выводов. Часто в структуру многослойной платы включают для охлаждения теплопроводящнй материал. На одном из краев платы устанавливают разъем.

О возможности размещения интегральных схем на многослойной печатной плате можно судить на основании следующего примера: на плате площадью до 900 см2 и объемом в несколько десятков кубических сантиметров устанавливают сотни монолитных интегральных схем в плоских корпусах.

На рис. 1 показана многослойная плата, изготовляемая последовательным наложением слоев, там же показаны пайка выводов плоского корпуса с интегральной схемой внахлест к печатным проводникам, теплопроводящие полоски для улучшения охлаждения, электрические соединения между слоями платы, цепи заземления и подвода питающих напряжений.

Рис. 1. Многослойная печатная плата: 1- внутренние слои с цепями заземлений и подвода питающих напряжений, 2 -внутренние слои с рисунком соединений, 5 -наружный, слой с контактными площадками и тиной подвода напряжения, 4 - интегральная схема, 6-полоска для улучшения охлаждения, 6-шина напряжения, 7 - контактная площадка, 8 - элемент межсоединений

Установилась следующая терминология в области конструирования и производства могослойных плат:
— многослойная печатная плата (МПП ) - несколько склеенных печатных слоев, имеющих межслойные соединения;
— печатный слой - печатный монтаж, нанесенный на изоляционное основание;
— межслойное соединение - переходное отверстие или контактный переход;
— переходное отверстие - металлизированное отверстие, обеспечивающее переход печатного проводника с одного слоя МПП на другой;
— контактный переход - металлизированный участок, соединяющий печатные проводники, находящиеся в разных слоях МПП ;
— технологические отверстия - отверстия в МПП , а также в отдельном печатном слое, предназначенные для обеспечения технологических требований в процессе изготовления МПГ1;
— базовые элементы- конструктивные элементы (кресты, треугольники, концентрические окружности), относительно которых координируются элементы печатного монтажа МПП ;
— навесные элементы - микросхемы различных конструкций, микромодули, электро- и радиоэлементы, устанавливаемые на МПП ; причем под термином микросхема подразумеваются гибридно-пленочные схемы (ГПС ), твердосхемные модули (ТСМ ) или твердые схемы (ТС).

Многослойные печатные платы предназначены для размещения па них преимущественно многовыводных микросхем в случае, когда не представляется возможным размещение проводников на двусторонних платах. Количество слоев МГ1П определяют при разделении электрической схемы на функциональные цепи, при этом желательно, чтобы каждая функциональная цепь располагалась на отдельном слое (например, слой с печатным монтажом цепей питания, слой с печатным монтажом нулевого потенциала, слой с печатным монтажом сигнальных цепей и др.).

Устраняют взаимовлияние печатных слоев и отдельных проводников рациональным расположением слоев относительно друг друга или же введением экранирующих слоев или проводников.

Общая толщина МПП выбирается с учетом требований механической прочности, предъявляемых к конструкции многослойного печатного узла, и обеспечивается необходимым подбором толщин фольгированного и изоляциояного материалов.

Конструктивно МПП можно выполнять из различных сочетаний одно- и двусторонних печатных слоев.

Ввиду малой механической прочности, коробления и сложности изготовления больших по размерам МПП рекомендуется разрабатывать их малогабаритными. Размеры многослойных печатных плат не должны превышать 150 X 180 мм. Рекомендуемое количество слоев 3-4. Условно считают первым слоем печатный слой со стороны установки навесных элементов.

При методе попарного прессования основными операциями технологического процесса являются:

— сверление переходных отверстий и их металлизация; прессование;
— металлизация отверстий и защита печатного монтажа наружных слоев;
— изготовление печатного монтажа наружных слоев.

При методе металлизации сквозных отверстий основными операциями технологического процесса являются:
— изготовление заготовок фольгированного материала и стеклоткани;
— изготовление печатного монтажа внутренних слоев;
— прессование;
— нанесение рисунков наружных слоев, сверление переходных отверстий;
— металлизация отверстий и нанесение защитного покрытия;
— изготовление печатного монтажа наружных слоев. При методе послойного наращивания основными операциями технологического процесса являются:
— изготовление заготовок стеклоткани, нарезка заготовок фольги;
— перфорация стеклоткани; приклеивание медной фольги;
— выращивание контактных переходов и металлизация поверхности стеклоткани;
— изготовление печатного монтажа второго слоя;
— приклеивание стеклоткани второго слоя;
— выращивание контактных переходов- и металлизация поверхности стеклоткани второго слоя;
— изготовление печатного монтажа третьего слоя;
— приклеивание стеклоткани;
— изготовление печатного монтажа первого слоя.

Многослойная печатная плата состоит из нескольких слоев отдельных печатных плат, собранных в пакет и связанных между собой. Соединения между платами могут быть сделаны различными способами, наиболее распространенный из которых - сверление и металлизация сквозных отверстий.

Применение многослойных плат является эффективным методом получения межсоединений для аппаратуры с высокой плотностью упаковки компонентов. Многослойная печатная плата является носителем печатного монтажа и большого количества компонентов на этой плате.

При использовании интегральных схем в плоском корпусе, пластмассовом или в металлическом корпусе типа ТО многослойная плата позволяет существенно уменьшить пространство, требуемое для обеспечения межсоединений. Таким образом, надежность плат и межсоединений должна существенно превосходить надежность самих интегральных схем.

Сейчас хорошо известны преимущества применения многослойных печатных плат для соединения микроэлектронных компонентов, однако еще недостаточно известно, что вызывает случайные отказы этих плат. Многослойные платы могут быть сделаны достаточно надежными, если при их разработке используется серьезный инженерный подход и их изготовление находится под жестким контролем. Чем сложнее конструкция платы, тем жестче должны быть средства контроля. Электрические качества печатной платы должны быть определены до того, как на нее будут смонтированы интегральные схемы и другие компоненты, ибо если дефект в плате будет обнаружен после сборки и монтажа, то придется вместе с платой выбрасывать и интегральные схемы. При правильно организованной системе испытаний дефекты в многослойных платах могут быть обнаружены и исправлены ранее. Это в первую очередь касается возможных погрешностей в конструкции платы и в ее обработке. Если нарушена основная функция платы - обеспечение электрического соединения’ Между соответствующими точками монтажа - это, как правило, связано с тем, что одна из многих ступеней в процессе изготовления платы была проведена неправильно.

Ни один из основных процессов изготовления многослойных печатных плат не является особенно трудным и не содержит каких-либо специфических источников ненадежности. Процессы изготовления многослойных печатных плат были разработаны несколько лет назад для производства односторонних и двусторонних печатных плат, а многослойные платы представляют собой послойную сборку нескольких таких плат. Однако послойная сборка этих плат и обеспечение межсоединений между слоями, а также хрупкость проводников делает более сложным поведение этих процессов.

Как правило, отдельные слои изготавливают травлением эпоксидных плат со стекловолокнистым связующим составом, которые имеют толщину 0,05… .. .0,3 мм, тогда как обычные печатные платы имеют толщину 0,7.. .1,5 мм.

Наиболее часто используемые межслойные соединения - это металлизированные сквозные отверстия. Обычно отдельные слои платы травят так, что их проводящие дорожки заканчиваются круглыми контактными площадками из меди. После того как слон собраны и склеены нагревом и давлением, через эти контактные площадки просверливаются отверстия. Затем внутреннюю часть отверстий покрывают медью путем химического осаждения и последующей гальванизации. Наиболее опасным в таких платах является то, что в месте соединения с контактной площадкой толщина слоя металлизации внутри отверстия может быть недостаточна.

Рис. 1. Виды соединений между слоями:
а - металлизированные сквозные отверстия; б - то же с выступами в - металлизация отверстий в монолитных платах.

Сверление отверстий и очистка многослойных печатных плат. При неправильном сверлении плат и очистке проводники могут изгибаться и подвергаться износу, если сверло слишком быстро вводится в отверстие или вращается слишком медленно. Жесткие карбидные сверла, вращающиеся с высокой скоростью, предотвращают защемление или скашивание контакт-пых площадок и излом слоев пластика, который вызывает образование пустот и нерегуляриостей при металлизации.

Если с контактных площадок не удалены следы эпоксидной смолы, то проводники будут электрически изолированы от металлизации отверстий. Наилучшим способом общей очистки контактных площадок служит химическое подтравливание, при котором не только удаляются следы эпоксидной смолы, но и выступают края проводников над слоем изоляции, что обеспечивает большую контактную поверхность для металлизации отверстий.

В качестве травителя обычно используется смесь серной (для растворения эпоксидной смолы) и плавиковой кислоты (для растворения стекловолокна, которое обнажается при растворении эпоксидной смолы). В растворе должно содержаться около четырех частей серной кислоты на одну часть плавиковой; эта пропорция должна обязательно сохраняться. Избыток плавиковой кислоты будет взаимодействовать с серной кислотой и при этом обычно появляются белые порошкообразные осадки.

Процессы металлизации. Критичным этапом.при металлизации отверстий является первоначальное химическое (безэлектродное) осаждение меди. Некоторые инженеры отказывались от использования многослойных плат из-за сомнений в целостности границы раздела между такой металлизацией и другими материалами. Однако тщательно сделанные соединения выдерживают напряжения, возникающие при пайке, и хорошо работают в различных окружающих условиях. Безэлектродное осаждение представляет собой последовательность химических реакций. Эти реакции не будут закончены, если металлизационные растворы не полностью смачивают внутреннюю часть отверстий. Если края отверстия неровны и плохо очищены, то металлизация такого отверстия будет неоднородной.

В настоящее время разработано много различных технологических способов металлизации сквозных отверстий, однако предпочтительно использовать трехступенчатый процесс, в котором для омеднения используется палладиевый активатор. В этом процессе ионы олова из раствора хлорида олова абсорбируются поверхностью эпоксидно-стеклянной изоляции и медными контактными площадками. Затем плату погружают в раствор хлорида палладия. Тонкий слой палладия осаждается с помощью окислительно-восстановительной реакции, при которой ионы палладия из раствора хлорида восстанавливаются до металлического палладия ионами олова, а ионы олова окисляются. На конечном этапе палладий является катализатором при восстановлении меди из щелочного фор-мальдегидного раствора медной соли. Активность каждого раствора должна поддерживаться практически постоянной. Для этого необходимы периодический анализ растворов и пополнение металлизационных ванн.

На последнем этапе процесса образуются небольшие пузырьки газообразного водорода, которые могут захватываться кончиками стекловолокон, выступающими в отверстии, или другими дефектами поверхности отверстия. Наличие Пузырьков также нарушает осаждение меди и может вызвать вспучивание электроосажденной меди. Слабое перемешивание или потряхивание раствора способствует предотвращению захвата газообразных пузырьков.

На химически осажденную медь стандартным пирофосфатным гальваническим методом наносится покрытие и, как правило, общая толщина слоя меди в сквозном отверстии примерно равна толщине медной фольги платы. В некоторых случаях, когда требуются малые контактные площадки и низкие уровни тока, необходимо использовать более тонкие слои металлизации. При этом внешние слои металлизируются одновременно с отверстиями, однако травить очень малые контактные площадки трудно, если на внешний слой платы нанесен толстый слой меди, поскольку чем толще слой меди, тем сильнее, подтравливание.

Внешние слои. Наличие металла на внешних слоях многослойной печатной платы должно быть ограничено контактными площадками сквозных отверстий, а также площадками для пайки и сварки. Использования проводящих дорожек на внешних слоях платы нужно избегать, особенно если они узкие и расположены близко друг к другу. Проводящие дорожки в многослойных платах очень тонкие, и дефект внешнего слоя готовой платы обходится слишком дорого, так как на изготовление платы затрачивается много труда и времени. Поэтому травление внешних слоев - одна из последних операций изготовления многослойных плат. Как правило, внешние контактные площадки делаются большей- площади, чем внутренние.

Если к рисункам на внешней стороне платы предъявляются жесткие требования, то в этом случае платы целесообразно изготавливать травлением по трафарету или контролируемым удалением металла. Оба эти метода устраняют проблемы, связанные с гальваническим нанесением, в результате которого толщина металлизации по площади платы становится неоднородной, что усложняет процесс травления. Время травления увеличивается, возрастает вероятность пробоя резиста и увеличивается подтравливание меди. При металлизации по трафарету.на плату наносится негативный резист. В этом случае обрабатываются только контактные площадки и проводящие дорожки, причем проводящие дорожки немного расширяются, но медное покрытие между такими линиями остается тонким и его легче стравить.

Можно также удалить металлизацию с обкладки платы перед травлением, например сошлифовыванием ее на прецизионном шлифовальном станке. Сошли-фовывание следует контролировать, чтобы избежать отделения покрытий сквозных отверстий от проводящих дорожек платы. Даже если такое отделение само по себе не вызывает отказа, то оно затрудняет очистку соединений перед покрытием меди золотом или серебром. Если золотое или серебряное покрытие будут иметь дефекты, могут образоваться резистивные соединения, появиться коррозия и возникнут трудности при пайке.

Конечная металлизация золотом или оловянно-свинцовым (иногда оловянно-никелевым) сплавом защищает медь от коррозии и повреждений и способствует процессу пайки.

Надежность в конструировании. Высокая квалификация рабочих и совершенные методы контроля не смогут компенсировать -ошибок в расположении печатных проводящих дорожек, контактных площадок и выборе расстояний между ними, которые допущены разработчиками и проектировщиками. Если в основном чертеже рисунка платы имеется ошибка, то она может быть не обнаружена в течение длительного времени, охватывающего цикл проектирования и производства.

Разработчики схемы должны закладывать в свои чертежи реальные допуски на расстояния между проводящими дорожками, чтобы обеспечить как экономичность производства, так и достаточно высокий вы-

годных многослойных плат. Иногда проектировщики закладывают слишком жесткие допуски на ширину проводящих дорожек и на расстояние между ними. Проектировщик, например, может задать определенный диаметр отверстия после металлизации, но на этой основе нельзя определить минимальный диаметр контактной площадки. Его необходимо устанавливать анализом наихудшей комбинации допусков при размещении отверстий и площадок.

Допуски. Реальные требования к допускам, обсуждаемые ниже, показывают, что диаметр внутренней контактной площадки должен быть не менее 1 мм. Площадка такого диаметра позволяет использовать кольцо меди шириной не менее 0,1 мм вокруг металлизированного отверстия. Кольцо должно быть тем шире, чем больше места имеется для контактных площадок, что позволит предотвратить вытекание раствора при химическом осаждении меди в отверстиях и последующем осаждении меди между проводящими дорожками.

Необходимо учитывать следующие допуски, которые могут вызвать наихудшую комбинацию условий:
1. Допуски на подтравливание. Их необходимо прибавить к диаметру контактной площадки, причем конкретная величина допуска, зависящая от удельного веса покрытия, должна компенсировать подтравливание меди в процессе травления.
2. Допуск на отклонения от правильного положения отдельных слоев платы. Чем больше плата, тем больше должен быть этот допуск. Его величина зависит также от качества обработки плат.
3. Допуск на размещение отверстий. Размещение отверстия относительно центра платы может изменяться.
4. Допуск «а толщину меди. Обычно предъявляются определенные требования к общей толщине слоя меди в сквозном отверстии. Однако существует тенденция использовать металлизацию меньших отвер стий и более тонкое покрытие на внешних слоях.
5. Допуск на диаметр отверстия. Он должен быть разным в зависимости от того, покрывается ли впоследствии медь золотом или будет производиться лужение. Чертеж должен быть изготовлен в масштабе по крайней мере 4:1, 5:1; в нем необходимо учитывать допуски на сужение проводящих дорожек в процессе контактной печати.
6. Допуск на фотолитографию. Печать и проявление фоторезиста, подтравливание в процессе обработки ведут к уменьшению толщины линии тем более существенному, чем меньше исходная ширина линии. Если макетный чертеж подготавливается с помощью чертежной ленты, то в этом случае трудно скомпенсировать сужение линии с помощью увеличения ширины ленты, поскольку она обычно стандартизована. Кроме того, ширина линии на макете из специальной ленты также изменяется, поскольку в процессе изготовления макетного чертежа лента растягивается и сжимается, кроме того, свет может проникнуть под лепту в процессе контактной печати.

Ширина линии выдерживается более тщательно, когда используется техника фрезерования. Машинное фрезерование ограничивается прямыми Линиями, но при этом допустима регулировка ширины линии. На макете схемы, если возможно,.необходимо ввести добавочное разнесение линий, что позволит изготовителю плат немного расширить линии в процессе производства. Площадь контактных площадок необходимо увеличить за счет дополнительных участков меди в местах соединения контактных площадок и проводящих дорожек.

Если на контактных площадках внешних слоев предусмотрены ободки или ребра, это предотвратит их подъем в процессе травления и пайки и улучшит образование паяных соединений. Ободки или валики на внутренних слоях позволяют смягчить допуски на отверстия, просверленные не по центру. В макетах схем обычно имеются контактные площадки для всех стандартных положений отверстий. Неиспользуемые площадки не следует удалять до тех пор, пока не будет смакетирована вся схема. Сохранение контактных площадок позволяет избежать расположения проводящих дорожек слишком близко к металлизированным сквозным отверстиям. После изготовления дорожек такие площадки должны быть удалены, поскольку избыток меди ухудшает однородность распределения изоляции при сборке слоев.

Размеры сквозных отверстий. Даже при тщательном контроле процессов изготовления появляются металлизированные сквозные отверстия плохого качества. Но два наиболее часто встречающихся дефекта не всегда вызывают отказ платы: неполная металлизация в отверстии или разрыв в металлизированном соединении между отверстием и контактной площадкой.

Небольшие разрывы в металлизации не приводят к отказу, если площадь окружности соединения значительно больше ширины проводящей линии. В этом случае небольшой разрыв металлизации не ухудшает проводимости соединения по сравнению с самой линией. Проводимость зависит от площади поперечного сечения (рис. 14). Если отношение диаметра проводника в отверстии (D) к ширине линии (№) составляет 1,5 или больше, небольшие разрывы металлизации могут быть допустимы. При этом надо также учитывать отношение между толщиной платы и размером отверстия. Хотя в практике производства использовались такие значения D/W, как 10: 1, целесообразно ограничиться величиной примерно 3:1.

Процесс травления. Изготовление печатных плат с плотной упаковкой методом фототравления требует тщательного контроля свойств химического травителя для медной фольги и выдвигает специальные требования к оборудованию. Это особенно существенно если проводящие дорожки плат имеют малую ширину и мало расстояние между дорожками. Качество печатной платы, полученной процессом травления фольги, зависит также от метода нанесения фоторезистов и качества этого нанесения.

Рис. 2. Зависимость сопротивления от ширины проводящей линии

Металлизация отверстий. Применение металлизированных сквозных отверстий, просверленных в двусторонних печатных платах для получения соединений, хорошо известно. Однако некоторые затруднения встречаются при использовании этого метода в многослойных конструкциях.

При изготовлении металлизированных сквозных отверстий в многослойных платах должно быть обеспечено хорошее электрическое и механическое присоединение контактных площадок к внутренней стенке отверстия, которое осуществляется с помощью химического осаждения. Применяемые для химической металлизации растворы обеспечивают хорошее покрытие таких изолирующих материалов, как стекловолокно с эпоксидным связующим составом. Однако адгезия осажденного слоя значительно хуже по сравнению с электролитически осажденной медью, поэтому хорошее соединение между слоем меди, осажденным электролизным процессом и медной фольгой, можно получить специальными методами очистки и активирования.

Один из методов, который обеспечивает хорошее качество металлизации - окисление меди в растворе катализатора с последующим восстановлением окисла. Выбор ванны для гальванического нанесения меди зависит от способности металлизационных растворов проникать в небольшие отверстия.

Сборка слоев. При обычных способах металлизации отверстий и изготовлении всех плат отдельно велика вероятность появления дефектов в процессе сборки отдельных слоев. Адгезия слоев платы в целом определяется качеством материала, содержанием смолы, временем текучести и желирования материала, применяемого для предварительной пропитки.

Эти характеристики полуотвержденных эпоксидных клеев непосредственно связаны с методом изготовления. Процесс склеивания слоев определяется температурой пресса, величиной давления, временем выдержки и т. д., которые используются для конкретного материала. При склеивании слоев непосредственно после подачи тепла в склеивающем прессе по-луотвержденная эпоксидная смола, используемая для предварительной пропитки, размягчается и становится текучей, а затем затвердевает или желируется. Метод подачи давления на стадиях текучести и желирования эпоксидной смолы, температура пресса и отвод тепла через многослойную структуру являются критичными параметрами цикла отверждения.

Когда на материале имеется слой медной фольги то тепло от пресса передается достаточно быстро. Период размягчения и желирования смолы являете очень коротким, поэтому такие платы помещаю в пресс и сразу же подается максимальное давление Если платы состоят из ряда отдельных слоев, тепло не переносится так быстро, поскольку на поверхности плат имеются только тонкие проводящие дорожки Поэтому при прессовании необходимо обеспечить вы-держку в течение некоторого времени, чтобы теплота равномерно распределилась по всем слоям^клея между отдельными платами. В процессе начального периода нагрева (время желирования) необходимо осуществлять небольшое давление, а затем повысить его до уровня, необходимого для отверждения материала. Имеются и другие факторы, которые существенно влияют на качество многослойной структуры. Например, наличие влаги в материале плат и в клее вызывает расслаивание многослойной платы или образование вздутий.

Перед сборкой влагу, адсорбированную в результате предыдущих операций, следует удалить и сборку многослойных плат в единое целое проводить в поме! щении с контролируемой влажностью (относительная! влажность должна быть около 40%). Перед склеиванием слоев рекомендуется сушить их в вакууме в течение 30 мин при температуре 120 °С.

Растворы, которые использовались при металлизации и травлении и следы которых остались на материале плат, могут вызвать плохую адгезию при склеивании. Для их удаления слои нужно промыть деиони-зированной водой в вакууме. Отдельные слои платы нужно очистить от оксидных, смазочных и других загрязнений, и при обращении с платами i(c пропиткой или без нее) персонал должен всегда пользоваться перчатками.

Контроль металлизированных отверстий в многослойных платах. На каждой стадии изготовления плат очень важен контроль качества. Необходима визуальная и электрическая проверка плат, а также деструктивные испытания контрольных участков, которые изготавливаются как часть каждой платы. Каждый отельный слой перед монтажом многослойной платы следует контролировать путем сравнения вытравленного рисунка схемы с чертежом; кроме того, каждый слой необходимо проверять на наличие царапин, выбоин и других дефектов проводящих дорожек. После склейки слоев и металлизации будут видны только наружные поверхности, контроль которых не может гарантировать хорошую связь металлизации сквозных отверстий с внутренними проводниками или того, что слои и просверленные отверстия соответствующим образом согласованы. Образец такой платы показан на рис. 15.

Рис. 15. Плата для выборочных испытаний

Контроль соединений между точками позволяет обнаружить разрывы соединений и соединения с высоким сопротивлением. Измерения проводят при низких уровнях токов, что соответствует большинству реальных условий применения плат. Такое испытание ча прохождение тока необходимо, и соединения должны обладать способностью выдерживать 100%-ную

перегрузку по сравнению с требованиями К плате. Рентгеновское просвечивание плат представляет собой один из немногих неразрушающих методов контроля которые позволяют оценить их внутреннюю структуру. Рентгеновский контроль помогает проверить точность сверления отверстий перед их металлизацией или травлением внешних слоев платы. Уже после изготовления платы этим методом можно обнаружить неправильное расположение слоев, разрывы соединений и возможность образования коротких замыканий.

Испытательные площадки должны обрабатываться вместе с каждой платой. Это позволяет быть до некоторой степени уверенным в объективности контроля условий процесса изготовления плат.

Металлографический контроль позволяет выявить дефекты, возникающие из-за плохого проведения технологических операций или из-за случайных повреждений. Он позволяет также оценить типы дефектов, которые могут быть устранены с помощью селективного сверления и изготовления проволочных перемычек.

Короткие замыкания и разрывы. Хотя при обработке многослойных плат могут встретиться многие виды отказов, наиболее серьезными являются короткие замыкания и разрывы проводников. Разрывы соединения могут быть вызваны механическими напряжениями между слоями, существовавшими на медных покрытиях до обработки, выгоранием перетравленных проводников в процессе испытания или при работе схемы. Велика вероятность разрыва после сборки узких проводящих дорожек, которые имели до сборки выщербины или царапины. Разрывы могут наблюдаться и на дорожках, которые сдвигаются в процессе изготовления, что может быть вызвано неадекватной адгезией меди к нагретому материалу платы. Другим видом разрывов является пропуск сквозного соединения, что случается, если слои неверно идентифициро-папы или если имеются погрешности в процессе изготовления отверстий.

Короткие замыкания вызываются следующими причинами:
- существенная ошибка при проектировании внутренних слоев;
- сверленые отверстия не согласованы с контактными площадками внутренних слоев;
- конструкция схемы не обеспечивает достаточного расстояния между металлизированными отверстиями и проводниками;
- возможна утечка раствора, используемого для химического осаждения меди, в отверстия и щели между близко расположенными отверстиями и проводниками;
- возможно попадание посторонних материалов в плату в процессе обработки.

Основные дефекты многослойных печатных плат.

Эти дефекты сводятся к следующему:
- нарушение адгезии проводника к плате, отслоение или отклеивание проводника по длине (этот дефект наиболее часто встречается на выводах и на концах проводящих дорожек);
- наличие стекловолокон, выступающих в отверстие после сверления;
- разрывы, трещины или царапины на проводниках;
- наличие меди на поверхности после нанесения верхнего слоя металлизации. Браком считается, если такой дефектный участок занимает всю ширину проводника или имеет протяженность более чем 12,0 мм вдоль проводника;
- сквозные отверстия, в которых общая площадь дефектов металлизации превышает 5% площади металлизации поверхности отверстия;
- раковины на границах раздела;
- повреждения проводящих колечек вокруг металлизированных отверстий;
- неоднородности металлизации отверстия из-за Некачественной очистки.

Симптомы отказов после сборки многослойной платы. Вероятные отказы печатных плат могут быть обнаружены при визуальном контроле после сборки.

Их симптомы сводятся к следующему:
- вспучивания из-за недостаточного давления при склеивании или избыточного поглощения влаги;
- воздушная раковина - из-за неправильного проведения цикла предварительного отверждения или недостаточной текучести смолы;
- «сыпь» из-за малого содержания смолы, использования старого раствора или избыточного давления при склеивании;
- расслаивание из-за недостаточного отверждения или неверной подготовки слоев;
- сдвиг проводящих дорожек на отдельном слое платы из-за малой силы сцепления слоев, избыточного-давления, неправильной фиксации;
- неоднородная толщина платы из-за того, что отдельные слои платы непараллельны, неоднородная конфигурация плат на отдельных слоях;
- сдвиг проводящих дорожек на поверхности из-за дефектов в предварительной обработке перед склейкой слоев, избыточного давления при склейке или из-за старения;
- участки, запачканные смолой из-за избыточной текучести смолы, вызванной использованием слишком высоких температуры или давления при склеивании;
- захват посторонних частиц из-за плохой очистки и погрешности в процессе сборки слоев;
- потемнение или появление пятен на платах из-за избыточного тепла или дефектов предварительной пропитки.

Методы изготовления многослойных печатных плат (МПП) постоянно эволюционируют, при этом наблюдается развитие по спирали: возврат к старому в новом качестве. Так 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. Поэтому описание прежних методов изготовления МПП, это не просто дань уважения истории техники, а возможность возврата к ним в новых комбинациях. Мало того, в ряде успешно функционирующих электронных систем эти методы до сих пор присутствуют, и никто не собирается их менять.

Что касается новых методов, то они неизбежно будут продвигаться вслед за интеграцией элементной базы, увеличением функциональности аппаратуры, уменьшением ее габаритов и массы.

Метод попарного прессования

Этот метод изготовления многослойных печатных плат основан на выполнении межслойных соединений посредством металлизации отверстий но типу обычных двусторонних печатных плат. Для изготовления многослойных печатных плат используются две заготовки из двустороннего фольгированного диэлектрика. На одной стороне каждой заготовки фотохимическим способом изготавливаются схемы внутренних слоев - второго и третьего. Затем сверлятся и металлизируются отверстия межслойных переходов, со второго на первый и с третьего на четвертый слой. При электрохимической металлизации переходных отверстий, для электрического соединения с катодом ванны используется целиковая фольга будущих наружных слоев. Заготовки с готовыми внутренними слоями платы спрессовываются. Выдавленная при прессовании смола заполняет переходные отверстия, защищая, тем самым, их медное гальванопокрытие от химического воздействия последующих технологических операций, в том числе от травления. После прессования заготовка МПП обрабатывается так же, как двусторонняя печатная плата, - позитивным комбинированным методом с получением металлизированных отверстий и печатных проводников на наружных слоях. Нужно отметить, что наружный слой МПП попарного прессования дважды подвергается металлизации: при осаждении меди в переходные отверстия и при металлизации сквозных отверстий, соединяющих наружные слои. Поэтому толщина меди наружных слоев, считая и медную фольгу, достигает 130-160 мкм. Это резко снижает разрешающую способность печатного рисунка наружных слоев, так как травление меди значительной и неравномерной толщины не обеспечивает необходимого качества и плотности печатного рисунка. Кроме того, при защите печатных узлов покровными лаками создаются значительные затруднения в получении плотного защитного покрытия: лак стекает с высоких проводников, обнажая их острые кромки.

Методом попарного прессования можно изготовить многослойную печатную плату с числом слоев не более четырех, что не всегда позволяет получить необходимую плотность монтажа.

Преимуществами метода попарного прессования 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.

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 соединения, как таковые, в этих методах изготовления отсутствуют. Поэтому проводники, принадлежащие одной цепи, должны лежать в одном слое.

При изготовлении многослойных печатных плат методом открытых контактных площадок используются полученные травлением отдельные печатные слои. Соединения выводов навесных элементов с контактными площадками внутренних слоев осушествляются через перфорированные окна вышележащих слоев. В результате этого верхний слой имеет перфорации, обеспечивающие доступ ко всем нижним слоям. Очевидно, нижний внутренний слой имеет наибольшую плошать 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, изготавливаемых методом открытых контактных площадок, более пяти становится нецелесообразным. Такие ограничения отсутствуют для метода выступающих выводов.

Фольгирование перфорированной стеклоткани внутренних слоев при изготовлении многослойных печатных плат 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.

Оба этих метода отличаются простотой и сравнительно коротким технологическим циклом. Однако необходимость формовки выводов радиоэлементов на различную глубину и пайка в перфорированные окна повышают трудоемкость монтажных операций для метода открытых контактных площадок. Кроме того, при этом методе существует ограничение на число слоев (не более 5…7), так как большее их число увеличивает глубину перфорации, что делает пайку открытых контактных площадок ненадежной.

В отличие от других методов, метод выступающих выводов не имеет каких-либо ограничений по максимальному количеству слоев. Но сосредоточение печатных проводников в узких переплетах перфорированных окон создает большие перекрестные помехи и, тем самым, ограничивает трассировочные возможности печатных узлов. Наряду с этим недостатком, следует принять во внимание затруднения в формовке и закреплении выступающих выводов на поверхности платы в пределах периметра окна.

Метод послойного наращивания

Изготовление многослойных печатных плат этим методом заключается в последовательном чередовании слоя изоляции и металлизированного 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 многослойной печатной платы методом послойного наращивания эта фольга осуществляет соединение металлизируемых поверхностей с катодом гальванической ванны. На конечном этапе на ней вытравливают рисунок наружного слоя.

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 могут быть использованы стеклотекстолитовые прокладки с перфорациями в местах межслойных переходов или полимерные пленки, отверстия в которых химически вытравливают в назначенных местах.

Количество слоев многослойной печатной платы 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 многослойных печатных плат 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 многослойных печатных плат методом послойного наращивания 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, шлифовывания вручную выступающих над поверхностью заготовки столбиков меди межслойных соединений 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 многослойных печатных плат 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.

Метод металлизации сквозных отверстий

Процесс изготовления многослойных печатных плат методом электрохимической металлизации сквозных отверстий состоит в изготовлении отдельных внутренних слоев химическим методом, прессования 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.

Поскольку все отверстия в плате являются сквозными, плотность межсоединений несколько ограничена, так как каждое отверстие используется для внутреннего соединения только один раз и в то же время занимает определенную площадь на каждом слое, ограничивая свободу трассировки печатных цепей. Вводя промежуточные внутренние соединения или сквозные отверстия для групп слоев, межслойные соединения можно располагать, друг над другом или только между теми слоями, где они нужны, не ограничивая трассировку печатных цепей на других слоях. Изготовление многослойных печатных плат по таким схемам обеспечивает наибольшую свободу в выборе месторасположения внутренних соединений и путей трассировки печатных проводников, следовательно, позволяет получить максимальную плотность межсоединений.

Метод металлизации сквозных отверстий, по сушеству единственный метод создания конструкций с наиболее оптимальной электрической структурой, обеспечивающей надежную передачу наносекундных импульсов и распределение питания между активными элементами. Такие конструкции многослойных печатных плат позволяют выполнить печатные цепи как полосковые линии передач и создают эффективное экранирование одной группы цепей от другой.

Таким образом, наряду с высокой технологичностью многослойные печатные платы, 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 металлизации сквозных отверстий 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. Наконец, в процессе использования МПП возникают трудности, при внесении изменений в трассировку при ремонте плат.

Многослойные печатные платы со скрытыми микропереходами на наружных слоях

Схема изготовления МПП со скрытыми микропереходами похожа на схему МПП изготавливаемых методом попарного прессования. Отличие лишь в том, что металлизацию внешнего слоя защищают от осаждения, чтобы не создавать больших толщин меди на внешних слоях. Для этого отверстия в слое выполняют не сквозными, а глухими. Не трудно увидеть также, что высверлить глухое отверстие в тонком основании на заданную глубину, не порвав фольги, невозможно. Поэтому слой с микропереходами выполняют из фольгированного полиимида и отверстия вытравливают через перфорации фольги по местам, где должны быть отверстия.

Нужно сказать, что технология изготовления МПП со скрытыми микропереходами активно вытесняется методом послойного наращивания переходов на основание, изготовленное методом металлизации сквозных отверстий.

Гибкие печатные платы

Использование гибких диэлектрических материалов для изготовления печатных плат дает как разработчику, так и пользователю электронных устройств ряд уникальных возможностей. Это, прежде всего, уменьшение размеров и веса конструкции, повышение эффективности сборки, повышение электрических характеристик, теплоотдачи и, в целом, надежности.

Если учесть основное свойство таких плат — динамическую гибкость — становится понятным все возрастающий объем применения таких плат в автомобилях, бытовой технике, медицине, в оборонной и аэрокосмической технике, компьютерах, в системах промышленного контроля и бортовых системах.

Гибкие печатные платы (ГПП) изготавливаются на полиимидной или лавсановой пленке и поэтому могут легко деформироваться, даже после формирования проводящего рисунка. Большая часть конструкций гибких печатных плат аналогична конструкциям печатных плат на жесткой основе.

Развитие современной радиоэлектро­ники характеризуется широким при­менением микросхем различной слож­ности (ИМС, БИС и СБИС) в качест­ве основных компонентов ЭА. Слож­ность и большая функциональная плотность современной аппаратуры потребовали огромного числа комму­тационных соединений, которые воз­можно осуществить, только используя многослойный печатный монтаж.

С 60-х гг. для всей электроники ха­рактерно обращение к цифровой об­работке сигналов. Как следствие про­гресса в этой области постоянно рас­тет скорость обработки электрических сигналов в единицу времени и плот­ность компоновки элементов в еди­нице объема. Это предъявляет в каче­стве основных требований к системе

монтажа максимальные помехозащи­щенность и плотность проводников.

Проблема помехозащищенности дав­но являлась наиболее важной в техни­ке передачи информации. Собствен­ные помехи системы обусловлены взаимным воздействием внутренних проводников путем емкостной и (или) индуктивной связи. Внешние помехи возникают за счет электромагнитного воздействия системы электропитания, цепей ввода и вывода сигналов. Ис­пользование МПП позволяет в 10 раз уменьшить электромагнитные помехи за счет печатных экранов.

Многослойная печатная плата со­стоит из ряда склеенных печатных слоев, в которых находятся сигналь­ные проводники, переходные отвер­стия, экраны, шины питания, кон­тактные площадки или выступы для присоединения выводов элементов. Сохраняя все достоинства печатного монтажа, МПП имеют дополнитель­ные преимущества:

– более высокая удельная плотность печатных проводников и контакт­ных площадок (20 и более слоев);

– уменьшение длины проводников, что обеспечивает значительное повышение быстродействия (например, ско­рость обработки данных в ЭВМ);

– возможность экранирования цепей переменного тока;

– более высокая стабильность пара­метров печатных проводников под воздействием внешних условий.

Недостатки МПП:

– более жесткие допуски на размеры по сравнению с ОПП и ДПП;

– большая трудоемкость проектирования и изготовления;

– применение специального техноло­гического оборудования;

– тщательный контроль всех операций;

– высокая стоимость и низкая ремон­топригодность.

В настоящее время МПП нашли применение для изготовления панелей ЭВМ, объединяющих конструктивно ИМС, ЭРЭ и коммутационные эле­менты, а также в космической и авиа­ционной аппаратуре. Основные спосо­бы получения МПП классифицируют по методу создания электрических межслойных соединений (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Основные способы получения МПП.

В первой группе методов электриче­ская связь между проводниками, расположенными на различных слоях платы, осуществляется с помощью ме­ханических деталей:

– штифтов,

– закле­пок,

– пистонов,

– упругих лепестков.

МПП изготавливается из нескольких ДПП путем прессования, в отверстия вставляются предварительно облуженные штифты, которые затем под дей­ствием электрического тока, прохо­дящего через штифт, разогреваются, образуя с помощью припоя электриче­ское соединение с печатными провод­никами (рис. 2.24, а ).В отверстия мо­гут вставляться также заклепки, писто­ны, которые облуживаются по торцам и развальцовываются (рис.2.24, б ).Соединения могут осуществляться по соприкасающимся фланцам пистонов, а также путем соединения предвари­тельно отбортованных контактных площадок пистоном, что уменьшает размеры пакета (рис.2.24,в ).Эти ме­тоды весьма трудоемки, плохо поддаются автоматизации и не обеспечива­ют высокою качества межслойных со­единений.

Рис.2.24Соединения с помощью штифта (а ), пис­тонов, соприкасающихся

по фланцам (б ), и предва­рительно отбортованных контактных площадок (в ).

Метод выступающих выводов харак­теризуется тем, что при его осуществ­лении межслойные соединения обра­зуются за счет выводов, выполненных из полосок медной фольги, высту­пающих с каждого печатного слоя и проходящих через перфорированные отверстия в диэлектрических меж­слойных прокладках. Выводы отгиба­ются на наружную сторону МПП и закрепляются пайкой в специальных колодках. Метод включает следующие операции (рис. 2.25):

– изготовление заготовок из стекло­ткани и медной фольги (нарезка в размер);

– перфорирование стеклоткани;

– склеивание заготовок перфорирован­ного диэлектрика с медной фольгой;

– получение защитного рисунка схе­мы отдельных слоев;

– прессование пакета МПП;

– отгибка выводов на колодки и за­крепление их;

– облуживание поверхности выводов, механическая обработка платы по контуру;

– контроль, маркировка.

Рис 2. 25.Стадии формирования МПП методом выступающих выводов

1 - нарезка заготовок; 2 - перфорирование диэлектрика; 3 - нанесение рисунка на слой;

4 – травление меди; 5 –прессование пакета.

При данном методе используется бо­лее толстая медная фольга (до 80 мкм), платы допускают установку только ИМС с планарными выводами. Коли­чество слоев не превышает 20. Пре­имущества метода – высокая жест­кость и надежность межслойных со­единений, недостатки – сложность механизации процесса разводки выступающих выводов и их закрепления на плате, а также установки навесных элементов.

Метод открытых контактных пло­щадок основан на создании электри­ческих межслойных соединений с по­мощью выводов навесных элементов или перемычек через технологические отверстия, обеспечивающие доступ к контактным площадкам, и включает следующие операции (рис. 2.26):

Рис.2.26.Стадии формирования МПП методом открытых контактных площадок:

1 - получение заготовок; 2 - нанесение защитного рель­ефа на слой; 3 - травление меди;

4 - пробивка отвер­стий; 5- прессование пакета и выполнение соединений.

– получение заготовок фольгированного материала;

– нанесение защитного рисунка схе­мы на каждый слои;

– травление меди с пробельных мест и удаление резиста;

– пробивка отверстий в слоях;

– прессование пакета МПП;

– облуживание контактных площадок, выполнение электрических соеди­нений.

В слоях вырубаются отверстия: для штыревых выводов круглые, для планарных прямоугольные. Для увеличе­ния площади контакта диаметр площа­док делают больше диаметра отверстий. МПП являются ремонтопригодными, так как допускается перепайка выво­дов ЭРЭ. Количество слоев – до 12.

Недостатки метода: возможность по­падания клея на контактные площад­ки при склеивании слоев и трудоем­кость его удаления скальпелем; труд­ность автоматизации процесса пайки выводов в углублениях; отсутствие электрической связи между слоями; низкая плотность монтажных соеди­нений.

Метод металлизации сквозных от­верстий характеризуется тем, что со­бирают пакет из отдельных слоев фольгированного диэлектрика (внеш­них – одностороннего, внутренних – с готовыми печатными схемами) и межслойных склеивающихся прокла­док, пакет прессуют, а межслойные соединения выполняют путем метал­лизации сквозных отверстии. Технологическии процесс включает сле­дующие операции (рис. 2.27)

– получение заготовок фольгированного диэлектрика и межслойных склеивающихся прокладок;

– получениерисункапечатнойсхемывнутреннихслоевфотохимическимспособом аналогично ДПП;

– прессование пакета МПП при тем­пературе 160 – 180°С и давлении 2 – 5 МПа;

– сверление отверстии в пакете;

– получение защитного рисунка схе­мы наружных слоев фотоспособом;

– нанесение слоя лака;

– подтравливание диэлектрика в от­верстиях в смеси серной и плавико­вой кислот в соотношении 4:1 при температуре (60±5)°С в течение 10–30с. При этом растворяется смола стеклопластиков и стеклоткань склеивающих прокладок для устранения следов наволакивания смолы, обнажения контактных площадок и увеличения площади контактирования;

– удаление слоя лака;

– гальваническое меднение отверстий и контактных площадок до толщи­ны 25–30 мкм в отверстиях;

– нанесение металлического резиста гальваническим путем (сплавы Sn – Pb, Sn – Ni);

– удаление защитного слоя рисунка и травление меди с пробельных мест;

– осветление (оплавление) металличе­ского резиста;

– механическая обработка МПП (сня­тие технологического припуска);

– контроль и маркировка.

Рис. 2.27.Стадии формирования МПП методом металлизации сквозных отверстий:

1 - получение заготовок; 2 - нанесение рисунка на внут­ренние слои; 3 - прессование пакета;

4 - сверление от­верстии; 5 -подтравливание диэлектрика.

Качество МПП, изготовленных ме­тодом металлизации сквозных отверстий, в значительной мере зависит от надежности межслойных соединений – торцов контактных площадок с метал­лизированными отверстиями. Надеж­ное соединение образуется при удалении со стенок отверстий пленки эпоксидной смолы, наволакиваемой при сверлении. Наиболее распростра­ненный способ очистки отверстий пе­ред металлизацией – химическое под­травливание диэлектрика стенок от­верстий. Для этого используются рас­творы кислот или их смеси, однако смеси кислот склонны проявлять про­дукты травления в порах диэлектрика. За рубежом наибольшее распростра­нение получил способ травления ди­электрика не в смеси кислот, а снача­ла в серной, а затем в плавиковой.

При повышении температуры раство­ра с 30 до 60°С глубина подтравливания диэлектрика увеличивается от 2–5 до 40–50 мкм, а при увеличении времени воздействия травящего раство­ра с I до 5 мин глубина подтравливания растет от 25–50 до 100–120 мкм.

В связи с тем что для подтравливания используются агрессивные рас­творы (смесь горячих концентриро­ванных кислот), требующие постоян­ного контроля и последующей нейтрализации обработанных заготовок, был предложен способ сухого плаз­менного травления. Он обеспечивает хорошую адгезию меди в отверстиях, короткий цикл обработки и отсутст­вие побочных эффектов. В качестве реагента используется низкотемпера­турная плазма из смеси газов, напри­мер кислорода и фреона, при темпе­ратуре 50–350 °С и давлении 0,13–260 ГПа. Плазма содержит свободные радикалы (до 90%) и ионы (1%). Реко­мендуется перед травлением предварительный подогрев плат до 50–70 °С. Плазма превращает эпоксидную смолу в летучее вещество, легко удаляемое из отверстий. Никаких промывок и сушки при плазменном методе не тре­буется. Этот процесс сухой и полно­стью автоматизирован. При обработке каждая МПП помещается в простран­ство между двумя параллельно распо­ложенными алюминиевыми пластина­ми – электродами. Электроды имеют отверстия, совпадающие с отверстия­ми в МПП.

Метод металлизации сквозных от­верстий является основным и наибо­лее перспективным в производстве МПП, так как не имеет ограничения количества слоев, легко поддается ав­томатизации и обеспечивает наиболь­шую плотность печатного монтажа. Он позволяет изготавливать МПП, при­годные для размещения на них эле­ментов с планарными и штыревыми выводами. Более 80 % всех МПП, производимых в мире, изготавливает­ся этим методом.

Метод попарного прессования харак­теризуется тем, что внутренние слои МПП изготавливаются на одной сто­роне заготовки из двустороннего фольгированного диэлектрика, межслойные соединения – путем химико-гальванической металлизации отверстий в заготовках, полученные слои прессуются, а рисунок на наружных сторонах платы выполняется комби­нированным позитивным методом.

В конструкции МПП нет прямой электрической связи между внутрен­ними слоями многослойной структу­ры, она осуществляется через внеш­ние слои. Сложность переходов не дает возможности получить высокую плотность печатного монтажа. Число слоев МПП – не более четырех. Тех­нологический процесс включает сле­дующие операции (рис. 2.28):

Рис 2.28. Стадии формирования МПП методом попарного прессования.

1 - получение заготовок, 2 - получение рисунка на внут­ренних слоях,

3 - выполнение межслойных переходов, 4 - прессование пакета.

– получение заготовок;

– нанесение защитного рисунка схемы внутренних слоев;

– травление меди с пробельных мест и удаление защитного рисунка;

– выполнение межслойных электрических соединений между внутренними и наружными слоями химикогальванической металлизацией;

– прессование пакета МПП (металлизированные отверстия переходов заполняются смолой во избежание их разрушения при травлении);

– сверление отверстий и нанесение защитного рисунка схемы наруж­ных слоев;

– химическое меднение сквозных от­верстий;

– гальваническое меднение и нанесение металлического резиста;

– травление меди на наружных слоях;

– осветление металлического резиста;

– механическая обработка;

– контроль, маркировка.

Попарным прессованием изготав­ливаются МПП, на которых разме­щаются навесные элементы с планарными и штыревыми выводами. Не­достатки метода – низкая производи-тельность, невозможность получения большого числа слоев и высокой плотности печатного монтажа.

Метод послойного наращивания ха­рактеризуется тем, что при его осуще­ствлении межслойные соединения вы­полняют сплошными медными пере­ходами (столбиками меди), располо­женными в местах контактных площа­док. Технологический процесс включа­ет следующие операции (рис. 2.29):

Рис. 2. 29Стадии формирования МПП методом послойного наращивания.

1 - получение заготовок; 2 - перфорирование диэлектри­ка; 3 - наклеивание фольги;

4 - выполнение межслойного перехода; 5- прессование пакета.

– получение заготовок стеклоткани и фольги;

– перфорирование диэлектрика;

– наклеивание перфорированной за­готовки диэлектрика на фольгу;

– гальваническая металлизация отвер­стия и химико-гальваническая ме­таллизация второй наружной по­верхности заготовки;

– нанесение защитного рисунка схемы и травление меди;

– гальваническое наращивание меди в отверстиях и химико-гальваническая металлизация наружной поверхности диэлектрика;

– травление меди с пробельных мест;

– получение многослойной структуры путем многократного повторения операций химико-гальванической металлизации и травления;

– напрессовывание диэлектрика;

– получение защитного рисунка печатного монтажа наружного слоя;

– травление меди с пробельных мест и облуживание припоем;

– механическая обработка;

– контроль и маркировка.

Послойным наращиванием получают МПП, на которых размещают только навесные элементы с планарными вы­водами. Недостатком данного метода является нетехнологичность конструк­ции, так как нельзя использовать фольгированные диэлектрики и необходи­мо вести последовательный цикл изготовления многослойной структуры. Стоимость изготовления МПП высо­кая. Достоинства метода – возмож­ность получения большого числа сло­ев (5 и более) и самые надежные межслойные контактные соединения. Результаты качественного сравнения МПП, изготовленных различными ме­тодами, приведены в табл. 2.8.

Таблица 2. 8.Сравнительная характеристика методов при изготовлении МПП

К базовым технологическим про­цессам получения МПП относятся прессование пакета, механическая об­работка и контроль. Прессование па­кета МПП является одним из самых важных процессов изготовления МПП, так как от качества его выполнения зависят электрические и механические характеристики готовой МПП. Техно­логический процесс прессования со­стоит из следующих операций:

– подго­товка поверхности слоев перед прес­сованием;

– совмещение отдельных сло­ев МПП по базовым отверстиям и сборка пакета;

– прессование пакета.

Для подготовки поверхности слоев к прессованию применяют механиче­скую зачистку абразивами, обезжири­вание поверхности органическими растворителями и легкое декапирова­ние фольги. При прессовании экранов с большими участками фольги ее поверхность оксидируют для лучшей ад­гезии при склеивании. Текстура на­полнителя (прокладок из стеклоткани) должна быть равномерно пропитана смолой, иначе при травлении химиче­ские растворы проникают в свобод­ные полости и снижают тем самым сопротивление изоляции.

Совмещение отдельных слоев МПП по базовым отверстиям осуществля­ют в специальном приспособлении (рис.2.30), состоящем из верхней 1 и нижней плит 5, изготовленных из стали.

Рис. 2.30.Приспособление для прессования паке­та МПП.

1 - верхняя плита; 2 - направляющая колонка; 3 - фик­сирующий палец;

4 - отверстие для термопары; 5 - ниж­няя плита.

Толщина плит 15–20 мм и за­висит от габаритов изготавливаемой платы. Плиты шлифуют по обеим плоскостям, направляющие колонки 2 обеспечивают их полную параллель­ность. В торцах плит выполняют от­верстия для термопар 4. Габаритные размеры нижней плиты должны быть больше прокладочных листов на 30–50 мм с каждой стороны по перимет­ру, так как при прессовании возможно вытекание значительного количества смолы. Фиксирующие штыри 3 рас­полагают через 100–150 мм по пери­метру платы в пределах технологиче­ского поля.

Для прессования МПП используют специализированные многоярусные гидравличес-кие прессы, оборудован­ные системами нагрева, охлаждения плит и поддержания температуры с точностью ±3 °С, регуляторами подачи давления с точностью порядка 3 %.Нагрев плит пресса осуществляют ли­бо перегретым паром, либо электриче­ством. Для ускоренного охлаждения в плиты встраивают коллекторы для по­дачи проточной водопроводной воды. На качество прессования сущест­венно влияет текучесть смолы и время ее полимеризации. Основным факто­ром в процессе прессования является правильно выбранный момент прило­жения максимального давления. Если создать давление до начала полимери­зации смолы, то значительное ее ко­личество будет выдавлено, а если по­сле полимеризации, то получается плохая проклейка слоев, что приводит к расслоению. При большой скорости возрастания температуры основные реакции отверждения проходят быст­ро, продукт получается хрупким, не­однородным, со значительными внут­ренними напряжениями. С уменьше­нием скорости нагрева механические свойства диэлектрика улучшаются.

Сборку пакета МПП осуществляют в режимах «холодного» и «горячего» прессования. При первом режиме пресс-форму с МПП помещают между холодными плитами пресса, в котором происходит ее последующий нагрев до необходимой температуры со скоро­стью

15 °С/мин. На первой стадии прессования создают незначительное давление на пакет (0,15-0,2 МПа), а когда смола загустевает при темпера­туре 130-140 °С, давление поднимают до 5-8 МПа. Окончательное отвержде­ние продолжается в течение 40 мин, затем плиты пресса быстро охлаждают водой и, когда температура в пакете снизится до 40°С, пресс раскрывают и извлекают готовый пакет (рис.2.31). При «горячем» прессовании плиты нагревают до 160-170°С, это уско­ряет процесс прессования, дальней­ший нагрев ведут со скоростью 15- 50 °С/мин.

Рис. 2.31.Режим прессования пакета МПП:

1.2- нагрев пакета, 3 - начало полимеризации, 4 - по­лимеризация под

давлением, 5 - охлаждение пакета

Для снятия напряжений, возникаю­щих в пакете в процессе прессования и вызывающих затем коробление пла­ты, после обрезки облоя МПП под­вергают дополнительной тепловой об­работке. Для этого ее наглухо зажи­мают между двумя жесткими пласти­нами и помещают на 30–40 мин в тер­мошкаф при температуре 120–130°С, затем оставляют в печи до медленного остывания.

Установленные режимы прессова­ния требуют постоянной корректи­ровки в зависимости от изменения технологических свойств склеиваю­щихся прокладок стеклоткани. Поэтому стеклоткань периодически про­веряют на содержание связующей смолы, ее текучесть, время полиме­ризации. Для более точного контроля времени приложения максимального давления при прессовании пакета из­меряют электрическое сопротивление связующей смолы с помощью датчи­ка, представляющего собой электроды в форме гребенки, полученной на фольгированном диэлектрике. Элек­трическое сопротивление падает с 10 5 МОм до 1 МОм в момент полного расплавления смолы, а затем растет в процессе ее полимеризации.

Для прессования МПП применяют специализированные многоярусные гидравлические прессы, оборудован­ные системами нагрева и охлаждения плит, устройствами для регулирования технологических режимов. Прессы обеспечивают плоскостность и парал­лельность плит в пределах 0,1 мм, время нагрева плит до рабочей темпе­ратуры 20 мин, точность поддержания температуры на их плоскости ±3 °С, давления ± 3 %. Повышение произво­дительности прессования достигается на автоматических линиях (например, модель S75 MRT-372C-X-X-G фирмы Pasadena Hydraulies, США), в которых по заданной программе пресс-формы с обрабатываемыми пакетами МПП пневматическим автооператором пере­мещаются из позиции загрузки в на­гретые плиты гидравлического пресса. Плиты сжимают пакеты в пресс-формах при низком давлении в тече­ние заданного времени, а затем авто­матически переключаются на высокое давление. В позицию загрузки уста­навливается следующая партия пресс-форм. После выдержки заданного тай­мером времени полимеризации свя­зующей смолы в пакетах МПП горя­чие и холодные плиты размыкаются, а автооператор перемещает прошедшие стадию полимеризации пакеты из го­рячих плит пресса в холодные для их остывания при заданном давлении.

Одновременно на позицию прессова­ния подается следующая пресс-форма из позиции загрузки, после чего пли­ты зажимаются и цикл повторяется.

Технология проводных плат.

Применение МПП экономически оправдано лишь в серийном и круп­носерийном производстве ЭА. В мел­косерийном производстве на этапе разработки опытных образцов приме­няются другие методы, основанные на оптимальном сочетании печатного и объемного монтажа. Характерной осо­бенностью таких комбинированных методов является использование ДПП, имеющих шины земли и питания, контактные площадки под навесные ЭРЭ и ИМС, металлизированные пе­реходные и монтажные отверстия. Монтаж остальных электрических це­пей осуществляют путем раскладки проводов на одной из плоскостей пла­ты и создания контактных соедине­ний с элементами ДПП путем сварки или пайки.

Таким образом, имея стандартную конструкцию ДПП, изготовленную комбинированным позитивным мето­дом, с помощью проводного монтажа получают конструкцию, аналогичную 8- или 9-слойной МПП. При этом от­падает необходимость изготовления большого числа фотошаблонов, при­менения прессования и других опера­ций, характерных для МПП, что зна­чительно сокращает цикл изготовле­ния конструкции.

К комбинированным методам мон­тажа относятся:

– многопроводной упо­рядоченный фиксируемыми провода­ми;

– многопроводной неупорядочен­ный;

– стежковый неупорядоченный.

Многопроводной монтаж фиксируе­мыми проводами заключается в упоря­доченном прокладывании изолиро­ванных проводов на поверхности ДПП, закреплении их в слое адгезива и соединении с печатным монтажом с помощью металлизированных монтаж­ных отверстии. Метод разработан фир­мой Kollmorgen Corporation (США) и называется Multiwire. Материалом для изготовления многопроводных плат служит фольгированныи диэлектрик, на поверхности которого субтрактивным методом получают печатный монтаж. На обезжиренные поверхно­сти плат наносят адгезионныи слой, состоящий из прокладочной стекло­ткани СПТ-3-0,025 и клея ВК-32-200. Для монтажа применяют провод диаметром 0,1-0,2 мм в высокопрочной полиамидной изоляции (ПНЭТ-имид). Частичное отверждение адгезива осуществляется прессованием при темпе­ратуре 90-100 °С и давлении 0,5 МПа.

Укладку монтажного провода осуще­ствляют с помощью специальной голов­ки, оснащенной ультразвуковым при­жимом 1 , ножом-отсекателем 2, труб­кой 3 для подачи провода (рис. 5.32). Наконечник прижима спрофилирован таким образом, что в процессе уклад­ки удерживает провод 4, утапливая его в адгезив 5, на поверхности платы 6 на 0,5 диаметра.

Рис.2.32. Схема укладки монтажного провода.

Технологические режимы укладки провода:

– частота УЗК 44-45 кГц;

– ам­плитуда 10 мкм;

– давление 16-18 кПа.

УЗ-колебания обеспечивают размяг­чение адгезива и утапливание в него провода. После окончания трассиров­ки провода головка останавливается и провод отрезается ножом. Полное погружение проводников в слой адге­зива и окончательное отверждение последнего происходят в результате прес­сования при температуре 180°С под давлением 1,0-1,5 МПа.

Плата с закрепленными в адгезиве монтажными проводами подается на операцию сверления. Монтажные от­верстия сверлятся по программе та­ким образом, чтобы проводник в пла­те располагался по оси симметрии от­верстия. Практически реализуется шаг координатной сетки 0,625 мм. В ре­зультате сверления возможно навола­кивание диэлектрических материалов на торцы проводов. Поэтому необхо­дима операция гидроабразивной очи­стки отверстий, которая проводится особо тщательно, так как вскрытая площадь при сверлении торцов мон­тажного провода достаточно мала.

Для укладки проводников в адгезив используется отечественная установка с программным управлением от пер­фоленты (рис.2.33). Скорость коор­динатных перемещений составляет 5,0 м/мин, точность позиционирова­ния ±0,5 мм, потребляемая мощность 1,5 кВт. Максимальные размеры пла­ты 500x600 мм, поворот расклады­вающей головки до 90°, ультразвуко­вой генератор УЗГ-3-0.4 мощностью 400 Вт.

Рис. 2.33. Схема установки для трассировки проводов.

Операцией, определяющей надеж­ность электрического соединения про­водного и печатного монтажа, являет­ся химико-гальваническая металлиза­ция отверстий. Если на наружных слоях платы печатный монтаж не пре­дусмотрен, то ее перед сверлением и металлизацией защищают технологи­ческим лаком. Если печатный монтаж необходим, то применяют полуаддитивныи метод (рис. 2.34).

Рис.2.34. Схема технологического процесса изготовления многопроводной платы.

На одной стороне многопроводной платы можно разместить несколько слоев проводного монтажа, чередуя нанесение адгезива и раскладку проводов. Существенные недостатки мето­да – невысокая надежность монтаж­ных соединений провода с металли­зированными отверстиями, необходи­мость применения адгезива, высокая трудоемкость монтажа. Достоинства метода – высокая точность двусто­роннего монтажа с пересечением про­водов, оперативное внесение измене­ний в монтаж, автоматизация трасси­ровки проводов.

Для повышения надежности межслойных соединений разработан вариант многопроводного метода, отли­чающийся тем, что соединения объ­емных проводов и печатного монтажа осуществляются путем пайки прово­дов к монтажным площадкам, так как адгезионный слой наносится через трафарет и не закрывает отверстия и контактные площадки. Пайка выпол­няется монтажной головкой с про­граммным управлением, ее произво­дительность 300-400 точек в час. Ме­тод экономичен при производстве плат в количестве 500-1000 шт/год.

Суть многопроводного неупорядочен­ного монтажа незакрепленными прово­дами заключается в произвольном прокладывании изолированных мон­тажных проводов на поверхности ДПП и образовании контактных со­единений с печатным монтажом пу­тем пайки или сварки. К этим мето­дам относятся методы Tiers (пайкой) и Stitch-Wire (сваркой соединений), разработанные фирмами США. В от­личие от метода Multiwire провода 1 (рис. 2.35) не приклеиваются к осно­ванию платы 2, а остаются свобод­ными и соединяются с монтажными площадками 4 указанными выше ме­тодами. В отверстия плат могут мон­тироваться элементы 3.

Рис.2.35. Схема проводного монтажа закрепленными проводами.

Достоинства метода – простота изготовления, ремонтопригодность, ав­томатизация трассировки и пайки проводников, высокая точность монтажа. Недостатки – односторонняя установка ЭРЭ и ИМС, необходи­мость дополнительных контактных площадок, большая степень свободы монтажных проводов.

Для изготовления специальной ЭА, устойчивой к ударам и вибрациям, применяется метод Stitch-Wire, в ко­тором монтажные соединения выпол­няются сваркой. Это потребовало вне­сения в конструкцию платы некото­рых специальных элементов. Так, для монтажа применяется одножильный никелевый провод диаметром 0,25 мм во фторопластовой изоляции, а кон­тактные площадки выполнены из не­ржавеющей стали, что обеспечивает необходимую точность и коррозион­ную стойкость контактного соедине­ния. С этой целью на диэлектриче­скую основу с обеих сторон наносят фольгу из нержавеющей стали толщи­ной 76 мкм, на которой с внутренней стороны нанесен слой меди толщиной 35-50 мкм, а с наружной – тонкий слой никеля. Медное покрытие под стальными монтажными площадками выполняет функции теплоотвода (рис. 2.36).

Рис.2.36. Схема сварки монтажных проводов:

1,3 -электроды; 2 -провод; 4 - монтажная площадка; 5 -плата.

Разводка соединений осу­ществляется методом параллельного электрода с подачей импульса тока длительностью 2,5 мс. В процессе сварки провод 2 подается через труб­чатый электрод 3 и прижимается к монтажной площадке с некоторым усилием. Под давлением происходит удаление изоляции, сплющивание про­вода и образование контакта. Нижний электрод 1 подводится к монтажной площадке с противоположной стороны. При кратковременном импульсе выде­ление теплоты невелико, что не оказы­вает влияния на прочность сцепления стальной фольги с основанием платы.

Стежковый монтаж заключается в прокладывании изолированных про­водов по кратчайшим расстояниям на поверхности ДПП и в монтажных от­верстиях с образованием петель и последующим подпаиванием их к кон­тактным площадкам платы. Процесс осуществляется на станках с ЧПУ, а в качестве инструмента применяют иглу из нержавеющей стали, которая имеет внутренний диаметр, превышающий диаметр провода ПЭВТЛК 0,1-0,2 мм на 0,08-0,1 мм, а также скос с углом заточки 50-75°, длину 25-35 мм.

Игла, проходя через монтажное от­верстие, прокалывает пакет резино­вых прокладок, которые задерживают провод при обратном ходе иглы (рис. 5.37, а ).После трассировки резиновые прокладки стягивают с пе­тель и проводят их лужение группо­вым методом в ванне припоя при тем­пературе (350±10) °С в течение 5-6 с (рис. 5.37, б ).Кабельная бумага предохраняет поверхность ДПП при лу­жении и удаляется после выполнения операции. Подгибку и пайку петель на контактные площадки (рис.5.37, в ) осуществляют вручную паяльником или на станках с ЧПУ.

Рис.2.37. Схема стежкового монтажа:

1 - провод; 2 - игла; 3 - плата; 4 - кабельная бумага;

5 - пакет резиновых прокладок; 6 - защитный слой.

Установка «Араке» имеет координат­ный стол, перемещающийся с шагом ±0,025 мм и максимальной скоростью 10 мм/с. Она позволяет вести стежко­вый монтаж на платах размерами 350x450 мм. Достоинства метода – снижение трудоемкости в 2-3 раза по сравнению с методами изготовления МПП, сокращение времени выпуска конструкторской документации с 30 дней для 6-8-слойной МПП до 5-6 дней, брак не превышает 5%.

Несмотря на то, что отдельные опе­рации стежкового монтажа автоматизированны, в целом производитель­ность процесса невелика, так как ка­ждая операция требует продолжитель­ного ручного труда при сборке и раз­борке различных приспособлений.

Дальнейшим развитием проводного монтажа явилась разработка плат третьего поколения без печатного монтажа. Основанием таких плат яв­ляется лист толщиной 0,5-2 мм из проводящего материала (стали, алю­миниевого сплава и т. д.), который выполняет роль теплоотвода от мик­росхем и является шиной с нулевым потенциалом. В основании платы вы­полнены пазы, заполненные эластич­ным материалом, через который про­пущены тонкие изолированные про­вода марки ПЭВТЛК (рис.2.38). Ме­жду пазами установлены на теплопро­водный клей микросхемы с планарными и штыревыми выводами с ша­гом 2,5; 1,25 и 0,625 мм, а также дру­гие ЭРЭ.

Рис.2.38. Фрагмент конструкции теплопроводящей платы проводного монтажа:

1 -паяное соединение; 2 -вывод; 3 -элемент; 4 -контактная площадка;

5 -диэлектрический материал; 6 -проводящее основание; 7 -провод.

Преимущества плат с теплоотводом перед МПП: т

– улучшение теплоотвода в 2-3 раза;

– увеличение надежности работы, так как снижение температуры корпуса ИМС на 10°С увеличивает надеж­ность ее работы в 1,5-2 раза;

– повышение быстродействия из-за высокой тактовой частоты (65-100МГц) благодаря мощным ши­нам питания и хорошей электриче­ской развязке ИМС по питанию;

– отсутствие выброса химических сто­ков, содержащих тяжелые металлы (медь, никель, свинец, железо и др.), что в 20 раз экологически менее опасно;

– снижение затрат на разработку плат в 2раза, производственных площа­дей в 5 раз.

Новым направлением в технике монтажа является применение тканых коммутационных устройств (ТКУ) , представляющих собой тканый мате­риал, изготовленный из электропро­водящих и диэлектрических нитей, с закрепленными на нем ЭРЭ и ИМС.

Рис.2.39. Тканное коммутационное устройство.

В общем виде ТКУ (рис. 2.39) пред­ставляет собой однослойное или многослойное изоляционное поле 1 , изго­товленное из диэлектрических нитей. С двух сторон поля во взаимно пер­пендикулярных направлениях по ко­ординатам х и у проложены электро­проводящие нити 2 и 3, которые на наружной поверхности в заданных точках образуют монтажные узлы 4, выполняющие электрические соеди­нения между отдельными электропро­водящими нитями. На наружной по­верхности поля сформированы кон­тактные площадки 6, петли 5, служа­щие для присоединения выводов ЭРЭ, и удлиненные выводы 7, необходимые для подсоединения к разъемам.

ТКУ изготавливаются на ткацких автоматах, дополнительно снабженных механизмами подачи и натяжения элек­тропроводящих и диэлектрических ни­тей, а также петлеобразования. После изготовления ТКУ им придают жест­кость. Применяются следующие спо­собы фиксировани