Технология изготовления печатных плат

·                выпуск чертежей принципиальных электрических схем, управляющих файлов для изготовления фотошаблонов и сверления отверстий с помощью станков с ЧПУ и текстовой документации на проектируемую ПП    (деталировочные и сборочные чертежи выпускать с помощью системы P-CAD неудобно).

Системы также позволяют вести  обмен данными с другими пакетами САПР (система автоматизированного  проектирования).

Системы поддерживает широкий набор  цветных графических дисплеев, принтеров, плоттеров и фотоплоттеров, цифровых планшетов различных типов.

3.2. CAM программы

Введение

CAM (Computer Aided Manufacturing) - производство с использованием специализированного программного обеспечения. В случае печатных плат - CAM программы предназначены для создания управляющих программ для фотоплоттеров, сверлильных станков с ЧПУ и другого технологического оборудования.

В современных условиях разработка топологии печатной платы и ее подготовка к производству выполняются, как правило, разными специалистами: конструкторами и технологами.

Их интересы зачастую противоречивы: конструктор обычно стремится к  максимальной плотности монтажа, технолог же вынужден учитывать возможности  реального производства и проводить  технологическую правку исходной топологии, как правило, несколько загрубляя ее. В своей работе технолог как правило использует программы для подготовки печатных плат к производству (в дальнейшем - CAM программы.)

Обобщенный процесс  работы над проектом ПП с применением CAM программ

1.         Импортирование данных, полученных в системах проектирования ПП (P-Cad, Protel, OrCad, PowerPCB и т.д.).  
Как правило из средств разработки (CAD программ) данные конвертируются в форматы Gerber, HPGL, ODB++ и др.

2.         Оптимизация и подготовка проекта с точки зрения технолога.

o       DRC (Design Rule Check) - проверка на соответсвие правил проектирования правилам производства. На этом этапе, как правило, проверяются минимальные расстояния между проводниками, контактными площадками, размер контактных площадок и т.д.

o       редактирование как на уровне отдельных проводников, участков металлизации и КП, так и таблиц падстеков и апертур; Например, можно увеличить размеры проводников на подтрав, если этого не сделали конструкторы;

o       поиск и коррекция перекрывающихся или не функциональных элементов;

o       каплевидное сглаживание стыков проводников с контактными площадками, необходимо для снижения последствий смещения отверстий относительно топологии (teardrop);

o       размещение изображения отдельных слоев на одном листе пленки и другие операции со слоями;

o        вычисление суммарной площади металлизации;

o       размещение нескольких плат на групповой заготовке;

o       оконтуривание всех элементов в случае производства "сухим методом";

3.         Генерация выходных файлов для фотоплоттеров и станков с ЧПУ, и другого технологического оборудования.

Таким образом, эти программы помогают в решении следующих проблем:

·                отделение работы технолога на производстве по производству фотошаблонов от работы проектировщика ПП;

·                оптимизация проекта с точки зрения конкретного производства;

·                уменьшение процента брака и/или ослабление технологических требований к проекту;

Автоматизация работы (макросы)

Отдельного внимания заслуживают  возможности автоматизации (написания  макросов).

Их преимущество заключается в  следующем. Обычно технолог выполняет  над каждым проектом однотипные операции. Кроме того, при оптимизировании  проекта печатной платы, технолог исходит  из конкретных параметров своего собственного производства. А значит, при обработке  проекта задет программе стандартные  значения. (например, технологических полей)

Программист даже невысокой квалификации (студент) способен в краткое время  автоматизировать этот процесс. Работа технолога существенно упростится и ускорится.

В качестве примера можно привести случай импорта файлов, созданных  в P-Cad в метрической системе, в программу CAM350. При этом все размеры увеличиваются в 2,54 раза. CAM350 позволяет уменьшить эти размеры, однако для этого надо выполнить следующие действия.

1.         С помощью операции EDIT/LAYERS/SCALE произвести масштабирование до нужных размеров. Если размеры увеличены (в 2,54 раза), то коэффициенты масштабирования 0.39370078 (знак разделителя разрядов - точка). Если размеры увеличены не в 2,54 раза, а в 1,016, то коэффициент масштабирования равен 98.4252;

2.         Последовательно применить операцию масштабирования ко всем используемым слоям. Следить, чтобы каждый раз масштабировался новый слой. Слой выбирается из списка слоев нажатием кнопки TEMPLATE LAYER;

3.         Т.к. при масштабировании программа создает новые слои, то по окончании операции нужно удалить старые слои. Переименовать полученные слои на TOP, BOTTOM и т.д. (меню TABLES/ LAYERS);

4.         При изменении размеров в 2,54 раза необходимо также масштабировать апертуры. Для этого в таблице апертур линейные размеры для каждого D-кода (а их десятки) надо также уменьшить на соответствующую величину;

В то же время существует несложный  макрос, мгновенно выполняющий все эти действия путем выбора одного-единственного пункта меню, который этот макрос добавляет к стандартным.

 

4. Технологии изготовления  печатных плат

Основные технологии изготовления печатных плат

·                Субтрактивная технология

·                Аддитивная технология

·                Тентинг метод

·                Комбинированный позитивный метод

·                Технология формирования слоев методом ПАФОС

·                Метод оконтуривания

·                Рельефные платы

Рассмотрим более подробно некоторые  из них.

сверление отверстий в  заготовке фольгированного диэлектрика

металлизация всей поверхности и стенок заготовки

нанесение пленочного   фоторезиста

получение защитного рисунка в пленочном фоторезисте (экспонирование, проявление)

травление медной фольги в окнах фоторезиста

удаление защитного рисунка фоторезиста

4.1. Субтрактивная технология

 

Субтрактивная технология предусматривает травление медной фольги на поверхности диэлектрика по защитному изображению в фоторезисте или металлорезисте. Эта технология широко применяется при изготовлении односторонних и двусторонних слоев МПП.

Вариант этого процесса применительно  к платам с уже металлизированными отверстиями называется тентинг-процессом и показан на рисунке. Пленочный фоторезист создает не только маскирующее покрытие на проводниках схемы, но и защитные завески над металлизированными отверстиями, предохраняющие их от воздействия травящего раствора.

В случае, если проявление и травление ведется струйными методами с повышенным давлением, толщина фоторезиста должна быть не менее 45-50 мкм. Для надежного тентинга диаметр контактной площадки должен в 1,4 раза превышать диаметр отверстия, а минимальный гарантийный поясок контактной площадки быть не менее 0, 1 мм.

Субтрактивный процесс с использованием металлорезиста позволяет получить платы с металлизированными переходами и проводниками шириной менее 125 мкм при их толщине до 50 мкм.

В отличие от предыдущего варианта, фоторезистивную защитную маску  получают над теми местами фольги, которые необходимо удалить. Затем последовательно осаждают медь (20-40 мкм) и металлорезист (олово-свинец 9-12 мкм) на освобожденные от пленочного резиста участки платы и на стенки отверстий. После удаления фоторезиста незащищенные слои меди вытравливаются, после этого металлорезист удаляют.

4.2. Аддитивная технология

Аддитивные процессы позволяют  уменьшить ширину проводников и  зазоров до 50-100 мкм при толщине  проводников 30-50 мкм. Один из перспективных  вариантов реализации такого процесса с использованием электрохимического осаждения металлов (ПАФОС) показан  на рисунке. 
      От субтрактивных процессов этот метод принципиально отличается тем, что металл проводников не вытравливают, а наносят. Проводящий рисунок создается на временных "носителях" - листах из нержавеющей стали, поверхность которых предварительное покрывается гальванически осажденной медной шиной толщиной 2-5 мкм.  
      На этих листах формируется защитный рельеф пленочного фоторезиста. Проводники получают гальваническим осаждением тонкого слоя никеля (2-3 мкм) и меди (30-50 мкм) во вскрытые в фоторезисте рельефы. Затем пленочный фоторезист удаляют и проводящий рисунок на всю толщину впрессовывают в диэлектрик.  
     Прессованный слой вместе с медной шиной механически отделяют от поверхности временных носителей. В слоях без межслойных переходов медная шина стравливается.

 

осаждение меди  на поверхность носителя      нанесение фоторезиста      экспонирование      проявление

осаждение никеля      осаждение меди  в окна фоторезиста      снятие фоторезиста      набор пакета носителей

прессование пакета    механическое удаление  носителей    травление тонкого медного слоя

При изготовлении двухсторонних слоев  с межслойными переходами перед  травлением тонкой медной шины создают  межслойные переходы посредством металлизации отверстий с контактными площадками (рис. 3). Проводящий рисунок, утопленный в диэлектрик и сверху защищенный слоем никеля, не подвергается травлению  при удалении медной шины. Поэтому  форма, размеры и точность проводящего  рисунка определяется рисунком рельефа  в пленочном фоторезисте, то есть процессами фотолитографии.

Дальнейшее повышение плотности  монтажа методом ПАФОС и уменьшение ширины проводников до 50 мкм и  менее возможно при использовании  лазерных методов формирования рисунка  непосредственно в диэлектрике. Наиболее подходят для этого углекислотные  лазеры, лучи которых могут быть сфокусированы до 35-40 мкм.

Отметим в заключение, что метод  ПАФОС, основанный на прецизионной фотолитографии и лазерном экспонировании является ярким примером того, как на новом витке развития производства оказалась востребованной "древняя" технология изготовления ПП методом переноса [3]. Ведь при описании разновидности этого метода, основанной на общепринятой 30 лет назад трафаретной печати, уничижительно отмечалось, что "...она еще находит применение в промышленности".

 

4.3. Комбинированный позитивный  метод

1.Изготовление фотошаблонов  и подготовка информации

а) подготовка информации

1. Разработка принципиальной схемы  устройства.  
2. Трассировка (Программные продукты: Pcad, Orcad, Accel Eda и др. Форматы файлов Pcad, Dxf, Gerber ). На этом этапе принципиальная электрическая схема преобразуется в схему разводки слоев. Очень важно при автоматической разводке правильно выбрать технологические параметры платы (допустимые зазоры, количество слоев, ширина поясков между отверстиями и контактными площадками. 
3. Доработка файлов. Вывод файлов сверления и фрезерования.(Программные продукты: CАМ 350, Instant САМ, Circuit САМ). 
Последний этап имеет большое значение, т.к. ошибки на этом этапе приведут к браку во всей партии. Правильная оптимизация данных, рисунка и положения элементов платы.

б) изготовление фотошаблонов

На этом этапе производится изготовление фотошаблонов, которые затем используются для формирования топологического  рисунка внутренних и внешних  слоев печатной платы при экспонировании. Различают позитивные и негативные фотошаблоны. 
С точки зрения обеспечения совмещаемости слоев этот этап является одним из основных, т.к. если фотошаблоны будут иметь погрешности, это отразится на всей партии деталей. Очень важно контролировать совмещаемость фотошаблонов друг с другом и проводить контрольный замер фотошаблонов.

2.Резка заготовок

Листы стеклотекстолита нарезаются на заготовки. Очень важно правильно  выбрать размеры заготовок, т.к. от этого зависит коэффициент использования  материала. Обычно размер заготовок  выбирается кратным листу стеклотекстолита (914,4x1220 мм). 
Резка заготовок может производится на гильотинных ножницах(ручных или автоматических) или на роликовых ножницах. 
На Рис. 1.2.3, а показана заготовка внутреннего слоя многослойной печатной платы. Диэлектрический материал, например текстолит, ламинированный медной фольгой.

3. Изготовление базовых  отверстий

На этом этапе в заготовке  изготавливается набор базовых  отверстий. Тип и размер этих отверстий  зависит от выбранной системы  базирования(см. раздел системы базирования). Обычно базовые отверстия круглой формы выполняются сверлением, а овальной - вырубкой. 
Обеспечение максимальной точности изготовления базовых отверстий на этом этапе обеспечит нормальную совмещаемость слоев и отверстий на последующих этапах.