Технология изготовления печатных плат

4. Ламинирование

Следующий этап - нанесение пластичного  фоточувствительного материала  на заготовку .Заготовка очищается и приготавливается к нанесению фоторезиста. Этот этап проходит в чистой комнате с желтым освещением. Резист светочувствителен (обычно к ультрафиолету) и при долгом не использовании разрушается.

5. Экспонирование

а) размещение фотошаблона

На заготовке размещается фотошаблон. На рисунке изображена только его  малая часть. Круг, часть которого изображена, в последствии будет соединением с внутренним слоем. Изображение на фотошаблоне негативное по отношению к будущей схеме. Под темными участками фотошаблона медь не будет удалена. 
Этот этап является наиболее ответственным с точки зрения обеспечения совмещения. При использовании систем базирования точность совмещения определяется точностью изготовления базовых отверстий в заготовках и фотошаблоне, типа системы базирования. 
В случае ручного совмещения точность зависит от квалификации и усталости оператора. 
Наиболее точной системой совмещения является автоматическая оптическая система совмещения - система анализирует расположение реперных знаков и выбирает оптимальное положение фотошаблона.

б) экспонирование фоторезиста

Участки поверхности незащищенные фотошаблоном засвечиваются. Фотошаблон снимается. После этого засвеченные  участки могут быть удалены химически .

6. Химическая обработка

Эти операции производятся в установках химической обработки. Существует несколько  типов установок: струйные, погружные. Существуют установки конвейерного типа и с ручной загрузкой. Эти этапы оказывают косвенное влияние на совмещаемость, однако на этих этапах возможно появление большого числа других погрешностей (проколы, подтравы и др.).

а) проявление

Засвеченные участки фоторезиста удаляются ,оставляя фоторезист только в тех областях, где будут проходить дорожки платы. Назначение фоторезиста - защитить медь под ним от воздействия травителя на следующем этапе.

б) травление

Заготовка травится для удаления ненужной меди . Резист, оставшийся на поверхности предохраняет медь под ним от травления. Вся незащищенная медь удаляется, оставляя диэлектрическую подложку. После травления дорожки схемы созданы и внутренний слой имеет требуемый рисунок.

в) удаление резиста

Резист удаляется, открывая не вытравленную медь . Теперь заготовка представляет собой полностью готовый внутренний слой. В нашем примере она будет вторым и третьим слоями будущей платы. Наследующем этапе на нее наносятся верхний (первый) и нижний (четвертый) слои платы.

7. Прессование

На этом этапе плата собирается в пакет состоящий из внутреннего и внешних слоев, проложенных препрегом (материалом служащим в качестве клея). На границах пакета необходимо использование дополнительных слоев, служащих для защиты пластин пресса от попадания расплавленного препрега и простоты разборки пакета. Прессование производится в вакууме в несколько этапов, сперва при относительно небольших усилиях (при определенных температурах), затем при больших усилиях и больших температурах. Граничной точкой является точка гелеобразования препрега. Очень важным является правильное определение этой точки, т. к. если подать 2е усилие до точки гелеобразования заготовка будет содержать пустоты, а если после, то препрег перейдет в стеклообразное состояние и произойдет его выкрашивание.  
Точность совмещения слоев при прессовании в основном определяется системой совмещения, а так же точностью используемой оснастки.

8. Сверление отверстий

Отверстия на плате служат двум целям: обеспечивать соединение между слоями и для монтажных целей . Платы сверлятся на станках с программным управлением, часто называемым обрабатывающими центрами.  
Этот этап является одним из ключевых этапов, определяющих точность платы. Точность сверления определяется классом оборудования, а так же его настройкой. 
 

9. Металлизация отверстий

Этот этап служит для покрытия отверстия  тонким слоем металла . Проблема в том, что поверхность отверстия непроводящая. Для металлизации плата помещается в ванну, где плата полностью химически покрывается тонким слоем паладия. Сущность процесса химическая и в результате покрываются как диэлектрические, так и металлические поверхности.

10. Химическая обработка

а) нанесение резиста

Далее плата покрывается резистом, резист засвечивается через фотошаблон, засвеченные участки удаляются . Эти этапы аналогичны описанным ранее с одним отличием: резист удаляется с участков , где будет наносится медь. Следовательно, изображение на фотошаблоне должно быть позитивным. Этап совмещения фотошаблона и заготовки является ключевым в обеспечении совмещаемости.

б) электролитическое  нанесение меди

Медь наносится на поверхность  отверстия до толщины 0,25мм . Медь, осажденная ранее на поверхность отверстия достаточно толстая, чтобы проводить ток, необходимый для электролитического осаждения меди. Это необходимо для надежного электрического соединения сторон и внутренних слоев платы.

в) оловянно-свинцовое  покрытие

Оловянно-свинцовое электролитическое  покрытие выполняет две важные функции. Во-первых, оловянно-свинцовая смесь  выступает резистом для последующего травления. Во-вторых, она защищает медь от окисления. Если плата производится не по процессу SMOBC, тогда эта смесь может быть расплавлена в печи для лужения дорожек.

г) удаление резиста

Резист удаляется , оставляя оловянно-свинцовую смесь (припой) и нанесенную медь. Медь, покрытая припоем, выдержит процесс травления и образует собой рисунок платы.

д) травление меди

На этом этапе припой используется как резист для травления . Незащищенная медь удаляется, оставляя на плате рисунок будущей схемы.

е) удаление припоя

Припой удаляется с поверхности  меди и плата очищается . Это начало процесса, называемого SMOBC ( solder mask over bare copper - маска поверх необработанной меди ). В других процессах, оловянно-свинцовая смесь расплавляется для дальнейшего использования (лужение). 
 

11.  Нанесение защитного покрытия

Для защиты поверхности платы, где  в дальнейшем не потребуется пайка, наносится маска . Существует несколько типов масок и методов ее нанесения. Фоточувствительная маска наносится тем же способом, что и фоторезист и обеспечивает высокую точность процесса. Нанесение через трафарет не обладает такой точностью, но материал маски более пластичен, и стоимость процесса ниже.

4.4. Рельефные платы

Одна из задач, стоящих при изготовлении современных печатных плат, заключается  в значительном повышении коммутационных (трассировочных) возможностей ПП.

Основными направлениями выполнения этого требования явилось уменьшение шага трассировки (минимального расстояния между центрами проводников проводящих слоев) и увеличение числа проводящих и изоляционных слоев.

Уменьшение шага трассировки имеет  следующие недостатки: усложнение и  удорожание технологических процессов (повышается класс точности изготовления ПП); значительное уменьшение шага трассировки  незначительно увеличивает трассировочные возможности. Это происходит потому, что переходы не могут быть существенно  уменьшены, а каждый из них обычно имеет на проводящих слоях контактные площадки большего размера, чем сами переходы.

Увеличение числа слоев обладает следующими недостатками: существенное усложнение, удорожание и увеличение цикла изготовления ПП; снижение процента выхода годных ПП; снижение надежности ПП.

В результате поиска альтернативы, обеспечивающей повышение коммутационных возможностей ПП была разработана конструкция рельефной платы (РП).

 

5. Этапы производства  многослойных печатных плат

Современное производство печатных плат (ПП) отличается широкой номенклатурой  и быстросменностью выпускаемых изделий, большими объемами производства, постоянным повышением требований к параметрам плат. Все это объясняет огромный объем разработок в области технологии производства ПП, постоянное совершенствование и обновление технологического и контрольного оборудования.

Многообразие вариантов конструкций  ПП, технологических принципов и  методов их промышленного производства затрудняют структурирование и систематизацию материалов по этим направлениям.

В данном сайте принята за основу систематизация информации на основе выделения целевых технологических  блоков. Каждый такой блок включает информацию о технологических методах, процессах, материалах, реактивах, оборудовании, оснастке и инструментах, обеспечивающих достижение определенной технологической  цели.

Рассмотрение технологических  блоков проведено для жестких  многослойных печатных плат (МПП), составляющих основной сегмент современного производства. Для большинства технологических  методов приведены возможные  альтернативы.

·                Технологическая подготовка топологии

·                Получение проводящих рисунков внутренних слоев

·                Прессование

·                Сверление

·                Очистка и подтравливание отверстий

·                Металлизация отверстий

·                Изготовление проводящих рисунков внешних слоев

·                Подготовка к пайке и защита поверхности

·                Заключительные операции

·                Контроль параметров печатных плат

5.1. Сверление

Сверление - наиболее распространенный метод получения отверстий однослойных  и многослойных печатных платах. Эти отверстия используются: 
Во-первых, для создания электрического соединения между верхней и нижней сто-ронами плат (или внутренними внешними слоями в МПП). 
Во-вторых, для монтажа DIP компонентов. 
Сверлением можно получать как сквозные, так и глухие отверстия. Методы свер-ления для двухсторонних и многослойных печатных плат практически идентичны - и в том, и в другом случаях используются автоматизированные сверлильные станки с ЧПУ. Эффективность сверления в производственных условиях определяется рядом факто-ров: параметрами оборудования (производительность, координатная точность, частота вра-щения шпинделя), видом и материалом сверл, особенностями технологической оснастки, режимами обработки, и квалификацией персонала.

 

Основные характеристики установок сверления

Отверстия, изготовляемые сверлением, получают на установках сверления (часто  и фрезерования) с числовым программным  управлением. Это связано с огромным количест-вом отверстий на плате, особыми требованиями к точности взаимного расположения от-верстий и производительности.

Приводы осей X и Y

Перемещение в горизонтальной плоскости  происходит с помощью ходовых  винтов, приводимых шаговыми двигателями. Следовательно их качество и состояние будет сильно влиять на точность позиционирования шпинделя. Чистота среды вокруг установки опреде-ляет, как часто необходимо проводить чистку и смазывание, для предотвращения износа винтов. Большинство производителей рекомендует проводить эту операцию каждые 6 ме-сяцев. При смазке ходовых винтов необходимо обеспечивать тонкий слой соответствующе-го масла. Долгий (непрерывный) поиск заданной координаты является следствием проблем с ходовыми винтами или шаговыми двигателями. Если это происходит, то индикаторы ко-ординат изменяются даже при отсутствии запрограммированного перемещения.

Привод оси Z

В основном применяются механические приводы для оси Z. Это обусловлено  большим ходом и распространенностью. Существуют установки (например LPKF ProtoMat) вертикальный ход инструмента которых обеспечивается электромагнитным или пневмоприводом.

Электрошпиндели

Электрошпиндель должен обеспечивать достаточную частоту вращения сверла, и достаточный передаваемый момент на сверло. Большая частота вращения обеспечивает большую производительность. Так как электрошпиндель перемещается с помощью ходовых винтов и шаговых двигатель, его габариты должны быть соответствующими.

Электрошпиндели можно разделить на три группы в зависимости от выполняемых технологических операций:

·                Свеpх-высокоскоpостные электрошпиндели для сверления плат печатного монтажа с частотой вращения 110 000 - 180 000 об/мин. В качестве опор обычно используются газовые (аэростатические и аэродинамические) опоры.

·                Высокоскоростные электрошпиндели для сверления и фрезерования плат печатного монтажа с частотой вращения 80 000 -100 000 об/мин. В качестве опор обычно используются газовые (аэростатические и аэродинамические) опоры.

·                Высокоскоростные электрошпиндели для фрезерования плат печатного монтажа с частотой вращения 35 000 - 45 000 об/мин. В качестве опор обычно используются опоры качения.

Установка инструмента

Установка может, производится как  в ручную, так и автоматически. Инструмент во втором случае устанавливается из специальных кассет. При установке инструмента вручную, производительность намного ниже, чем при автоматической.

В некоторых современных установках используется так же устройства контроля за состоянием сверла.

Режимы сверления

Под режимами сверления будем подразумевать  скорость вращения шпинделя (скорость резания) и подачу. Скорости резания  и подачи должны выбираться так, чтобы  получить оптимальные соотношения  между высокой производительностью, стойкостью сверл и хорошим качеством  отверстий. Оптимальная скорость резания  подбирается для каждого типа материала и каждого типа конструкции  ПП и тщательно, потом поддерживается в процессе производства. При оценке параметров резания следует иметь  в виду, что скорость вращения сверла - величина непостоянная: в зависимости  от момента инерции шпинделя он получает то или другое замедление по мере врезания сверла в тело платы, при пересечении различных слоев материала шпиндель получает разное замедление.

Скорость подачи выбирается из тех  соображений, что слишком малая  подача увеличивает нагрев сверла и  стенок отверстия, большая подача ограничена геометрией сверла - главный задний угол, а должен быть всегда больше, чем  угол реза.

Точность сверления

Современное автоматическое оборудование позволяет высверливать отверстия  с точностью, большей достигаемой  обычно в условиях производства. Причина  этого заключается в том, что  на точность сверления оказывает  влияние ряд факторов, связанных  с неточностями геометрии сверл  и особенностями стеклотекстолитов.

Чем острее и прочнее сверло, тем  меньше его доля в суммарной ошибке. Та или иная степень разбалансировки, присущая любому сверлу, всегда приводит к эксцентриситету. Прочные стеклянные волокна стеклоткани отклоняют  сверло, ему легче ввинчиваться в  мягкую смолу. Ясно, что точность сверления  будет выше в материале, армированном тонкой стеклотканью. Поэтому точность сверления повышается с уменьшением  толщины стекловолокна, плотности  переплетения, увеличения диаметра сверла и содержания связующего. По мере увеличения стопы ПП отклонение сверла становится все более заметным в нижних платах. Центрирование сверла можно намного  улучшить, используя головку прижима  или короткие сверла. При сверлении  прецизионных ПП использование головки прижима обязательно, при этом запрещается сверление более одной ПП в пакете.