Технология изготовления печатных плат

 

 

Лабораторная работа №3

 

ТЕХНОЛОГИЯ

 ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

 

Цель работы: Изучение особенностей технологического изготовления печатных плат для последующего конструктивного их анализа.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Печатной платой (ПП) называется диэлектрическое основание с нанесенными на его поверхность коммутационными проводниками [7].

Сущность печатного монтажа заключается в образовании на его поверхности основания, изготовленного из изоляционных материалов, тонких электропроводящих покрытий, выполняющих функции монтажных проводов, разъемов, контактных деталей. Все элементы, входящие в схему, устанавливаются на основании и соединяются с печатными проводниками пайкой.

Применение печатного монтажа обеспечивает замену значительной части ручных монтажных операций машинными операциями, допускающими использование п/автоматических, автоматических установок и автоматических поточных линий. Открываются широкие возможности замены ручной пайки каждого соединения групповой пайкой всех соединений, располагаемых на одной стороне основания. Сокращаются затраты, связанные с применением конструктивных и соединительных деталей.

Печатный монтаж обеспечивает повышенную механическую прочность отдельных блоков, а также стабильность и идентичность электрических параметров. Применение печатного монтажа повышает надежность и качество радиоэлектронных устройств, упрощает их обслуживание.

Процесс изготовления ПП включает в себя операции, при выполнении которых создается токопроводящее покрытие (проводники, печатные элементы) на изоляционном основании и наносится изображение печатного монтажа. Поэтому методы изготовления печатных плат классифицируют по способам создания токопроводящих покрытий  и способам нанесения изображения печатного монтажа [8].

Существуют следующие основные способы создания токопроводящих покрытий:

1) электрохимический - тонкий слой металла (1-2 мкм), нанесенный способом химического осаждения, наращивают до требуемой толщины в электролитической ванне;

2) электролитический с переносом - проводники предварительно осаждаются электролитическим способом на специальную металлическую матрицу с последующим переносом их на изоляционное основание;

3) фольгирование (химический) - печатные проводники, а иногда и печатные элементы получаются посредством травления фольги, приклеенной к изоляционному основанию с одной или двух сторон;

4) вжигание серебра - соединение серебра, содержащееся в пасте, нанесенной на поверхность изоляционного основания, при обжиге восстанавливается до металла и соединяется с основанием;

5) шоопирование - расплавленный металл разбрызгивается на изоляционное основание с помощью воздушного пистолета;

6) вакуумное напыление - металлическая пленка наносится путем напыления металла в вакууме возгонкой, либо под воздействием электрического поля и конденсации их на изоляционных основаниях;

7) запрессовка металлических порошков - порошок металла вдавливается в изоляционное основание предварительно нагретым штампом.

Наибольшее распространение промышленности при производстве ПП нашли первые три способа. Выжигание серебра и вакуумное напыление в основном применяется при изготовлении термостабильных катушек индуктивности и функциональных тонкопленочных узлов.

Нанесение изображения печатного монтажа можно выполнить следующими основными способами:

1) фотографическим;

2) сеточно-графическим;

3) ксерографическим (электрографическим);

4) офсетным;

5) горячим теснением;

6) прессованием;

7) гравированием;

8) рисованием.

Фотографический способ нанесения изображения основан на использовании стойких по отношению к кислотам и щелочам светочувствительной эмульсии и фотопечати. Для получения изображения эмульсия наносится на заготовку платы. После сушки эмульсионного слоя на него копируют изображение печатного монтажа с негатива или позитива. Под действием световых лучей под прозрачными участками фотонегатива получаются задубленные участки эмульсии. Незадубленные участки эмульсии набухают в воде при проявлении и удаляются.

При сеточно-графическом способе изображение печатного монтажа получается посредством нанесения на заготовки ПП через сетчатые трафареты специальных кислотостойких красок. Сетчатый трафарет представляет собой рамку с равномерной натянутой шелковой или металлической сеткой, не печатающие участки которой покрыты забудленным слоем светочувствительной эмульсии.

Этим способом также наносят обозначения элементов схемы, различные надписи на одной из сторон платы и защитную маску, оставляют открытыми для дальнейшей автоматической пайки только места соединений выводов элементов схемы с проводниками платы.

При ксерографическом способе нанесение изображения печатного монтажа осуществляется в специальных остановках с помощью ксерографической пластины (алюминиевого листа), на поверхности которой имеется слой аморфного силена. Перед воспроизведением рисунка пластину заряжают положительным статическим зарядом. Затем на пластину проектируется позитивная изображение рисунка. Под действием световых лучей на освещенных участках аморфного селена электростатический заряд нейтрализуется, а незасвеченные участки сохраняют первоначальный положительный заряд; в результате на пластине образуется скрытый рисунок. Рисунок проявляется путем просеивания над пластиной предварительно заряженных отрицательно частичек красителей или специальных порошков, а затем переносится на основание с помощью промежуточной подложки и оплавляется.

Для нанесения изображения печатного монтажа по способу офсетной печати используют типографическое оборудование и приспособления: плоскопечатные станки и клише с выпуклым изображением печатного монтажа. На одной плите станка укрепляют клише, а на другой - заготовку платы.

Нанесение изображения монтажа осуществляются посредством перенесения резиновым валиком станка слоя защитной краски с клише на поверхность заготовки.

Способ тиснения заключается в том, что изображение печатного монтажа получают горячим тиснением красочной фольги, представляющей собой бумажную основу (кальку), на одну сторону которой последовательно нанесены слои парафина, кислотостойкой краски и бакелитового лака. После совмещения основания с красочной фольгой так, чтобы лакированный слой прилегал к основанию, производится тиснение штампом, нагретым до 80-90°С. В местах, прижатых штампом, парафиновый слой плавится, а красочный слой отделяется от бумаги и благодаря слою лака приклеивается к основанию. На остальных местах красочный слой удаляется вместе с бумагой.

Способ прессования заключается в том, что в основаниях печатных плат, изготавливаемых прессованием из фенопластов и прессматериалов, места расположения проводящих покрытий выполняются в виде углублений. Одновременно в процессе прессования формируются отверстия, подлежащие металлизации.

Остальные способы нанесения изображения печатного монтажа особых пояснений не требуют.

Наибольшее распространение в промышленности при производстве печатных плат нашли фотографический и сеточно-графический способы нанесения изображения.

Сочетание определенного способа создания токопроводящего покрытия с тем или иным способом нанесения изображения проводников определяет метод изготовления печатных плат. В зависимости от того, какое количество способов используется для изготовления печатной платы, методы подразделяются на простые и комбинированные.

При изготовлении печатных плат простыми методами используются два основных технологических процесса: нанесение изображения печатного монтажа и создание токопроводящего покрытия. В самом названии простого метода содержится информация о способе нанесения изображения и способе создания токопроводящих покрытий.

Например, изготовление ПП по сеточно-химическому методу означает, что изображение на заготовку ПП наносится сеточно-графическим способом, а проводники получаются из закрепленной на основании фольги, участки которой, соответствующие так называемым пробельным местам изображения, удаляются химическим травлением. Аналогично раскрывается сущность других простых методов изготовления ПП.

Изготовление ПП по комбинированным методам базируется на использовании трех и более основных технологических процессов.

В настоящее время известно большое количество (более 200) простых и комбинированных методов. Однако в отечественной промышленности широкое применение нашли только некоторые из них - экономически наиболее целесообразные и позволяющие получать продукцию высокого качества.

К таким методам относятся:

1. Фотохимический.

2. Фотоэлектрический.

3. Сеточно-химический.

4. Сеточно-электрохимический.

5. Сеточный перенос.

6. Фотоперенос.

7. Комбинированный  негативный.

8. Комбинированный  позитивный.

Сущность комбинированных методов заключается в следующем.

Комбинированный негативный метод: по изображению монтажа на фольгированном диэлектрике, полученному фотографическим способом (фотопечатью с негатива), производиться травление фольги с пробельных мест платы, нанесение защитной пленки лака, электрохимическое омеднение проводников и отверстий.

Комбинированный позитивный: по изображению монтажа на фольгированном диэлектрике, полученному фотографическим способом (фотопечатью с позитива), производится нанесение защитной пленки лака, сверление и зенкование отверстий, химическая металлизация отверстий, удаление защитного слоя эмульсии с пробельных мест, травление медной фольги. В местах облуживания можно наносить гальваническим способом слой кислотостойкого металла (серебро, сплав олова-никеля, палладий).

Следовательно, комбинированные методы базируются на полном использовании фотохимического метода и способа электрохимического осаждения меди для металлизации отверстий и проводников.

При химическом изготовлении ПП на слой фольги, наклеенной на изоляционное основание, наносится химически устойчивый позитивный рисунок печатного монтажа в виде пленки полимера так, чтобы зазоры между проводниками остались незащищенными, а затем помещается такой лист в травитель. Таким образом, в результате избирательного травления незащищенных участков получится металлический рисунок печатного монтажа под пленкой защитного рисунка. В качестве травителя используют раствор хлорного железа FeC3 плотностью 1,24  с небольшой добавкой соляной кислоты HCl для поддержания кислотности ванны pH 2,5, что интенсифицируют процесс. Процесс разрушения незащищенных участков медной фольги протекает следующим образом:

2 FeCl3 + Cu 2 FeCl2 + CuCl2 + H2

Хлористая медь (CuCl2) переходит в раствор, смешиваясь с раствором хлористого железа (FeCl2), в результате чего первоначальный темно-желтый цвет раствора хлористого железа становится грязно-зеленым. Ввиду уменьшения концентрации хлорного железа (FeCl3) раствор надо периодически подкреплять.

На скорость травления, кроме отмеченного обстоятельства, влияют следующие факторы: температура раствора (80-90°С), количество воздуха, поступающего в зону реакции. Длительность процесса травления зависит от толщины фольги: так для фольги  толщиной 50 мкм длительность процесса практически составляет около 9 мин.

Основное преимущество метода изготовления печатных плат травлением хлорным железом фольгированного диэлектрика заключается в простоте технологического процесса, не требующего сложного оборудования и применения сложных химических процессов и материалов.

К его недостаткам относятся:

- большой непроизвольный  расход материала фольги вследствие перехода меди из раствора;

- необходимость  применения металлических соединений  при переходе с одной стороны  платы на другую в двухсторонних  схемах;

- снижение электрических  параметров диэлектрика в результате  воздействия активных химических  продуктов;

- малая скорость  травления и последующая отмывка  от травителя.

Другим травильным раствором может быть азотная кислота, которая растворяет медь примерно в шесть раз быстрее хлорного железа. Кроме того, азотную кислоту несложно регенерировать, не останавливая процесса травления. Существенным недостатком азотной кислоты, как травителя, является токсичность паров при травлении и разрушении гетинакса на фенольной основе.

Хорошо реагируемыми травильными растворами являются персульфат аммония и хлорная медь.

Вещество, из которого состоит слой защитного рисунка, должен быть прежде всего стойким к действию травителя, иметь плотное строение, обладать хорошей адгезией к медной фольге, чтобы травящее вещество не могло просочиться под слой. После выполнения своей задачи защитный слой должен быть удален с фольги. В качестве защитного слоя применяют кислотоупорную краску или фотоэмульсию.

Основными показателями, характеризующими методы производства ПП, являются:

- разрешающая  способность и точность геометрических  размеров;

- возможность  металлизации отверстий в процессе  получения проводников;

- надежность  электрических соединений и ремонтопригодность  печатных узлов;

- экономическая  целесообразность применения при  различных типах производства.

На основании разрешающей способности делается вывод о возможности использования метода для изготовления плат с большой плотностью монтажа и насыщенных узкими местами или имеющих малую ширину проводников.