Разработка конструкции и технологии изготовления печатной платы пятиполосного эквалайзера

Для реализации разрабатываемого устройства выбран односторонний тип печатной платы, так как печатные платы данного типа являются наиболее дешевыми и простыми в изготовлении. Односторонний тип печатных плат полностью удовлетворяет техническим требованиям.

2. Выбор материала для производства ПП

Для изготовления ПП широкое распространение получили слоистые диэлектрики, состоящие из наполнителя и связующего вещества (синтетической смолы), керамические и металлические (с диэлектрическим слоем) материалы.

Выбор материала определяется электроизоляционными свойствами, механической прочностью, обрабатываемостью, себестоимостью, а также стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и климатических изменений. В основном диэлектрики выпускаются промышленностью с проводящим покрытием из тонкой медной электролитической фольги (реже никелевой или алюминиевой). Толщина фольги стандартизирована и имеет значения 5, 18, 35, 50, 70, и 105 мкм. Фольга характеризуется чисто-той состава (99,5%), пластичностью и высотой микро-неровностей 0,4 0,5 мкм.

В качестве основы в слоистых платах используют электроизоляционную бумагу или стеклоткань. Их пропитывают фенольной или фенолоэпоксидной смолой, а затем сушат и калибруют по толщине.

Фольгирование диэлектриков с одной или с двух сторон осуществляют прессованием при температуре 160 ... 180°С и давлении 5 ...15 МПа. Фольгированные слоистые диэлектрики поставляются в виде листов с толщиной 0,06 ... 3 мм. Их используют при субтрактивных методах изготовления ПП и МПП.

Гетинакс, имеет удовлетворительные электроизоляционные свойства, но хорошо обрабатывается и имеет низкую стоимость, нашел применение в производстве бытовой РЭА.

Для ПП, эксплуатирующихся в сложных условиях и особо важных местах РЭА, используют платы на основе стеклотекстолита, обладающего лучшими электротехническими и эксплуатационными характеристиками. Они обладают широким диапазоном рабочих температур (-60 – +150°С), низким водопоглощением (0,2 – 0,8%), высокими значениями объемного и поверхностного сопротивлений, стойкостью к короблению.

В коммутирующих устройствах: мощных цепях питания и высоковольтных блоков применяются диэлектрики с повышенной огнестойкостью (ГОФ, ГОФВ, СОНФ, СТНФ), которая достигается введением в их состав антипиренов.

Нефольгированные диэлектрики применяют при полуаддитивном и аддитивном методах производства ПП. Для улучшения прочности сцепления металлического покрытия с основанием на его поверхность наносят тонкий (50 – 100 мкм) клеевой слой (например, эпоксикаучуковую композицию). Введение в лак, пропитывающий стеклоткань, от 0,1 до 0,2 маc. % палладия, смеси палладия с оловом или закиси меди снижает сопротивление изоляции, но благодаря этому повышает качество металлизации.

Соединение отдельных слоев МПП осуществляется склеивающими про-кладками, которые изготавливаются из стеклоткани и пропитываются эпоксидной смолой недополимеризованной.

Для производства печатных кабелей применяют армированные и фольгированные пленки из фторопласта-4 (ФАФ-4Д), а также полиэфирные пленки (ПЭТФ).

Высокой термостабильностью (до 2500С), прочностью на растяжение, несгораемостью, радиационной стойкостью, а также способностью к равно-мерному травлению в щелочных растворах обладают полиимидные пленки. Однако высокая стоимость и водопоглощение ограничивают их применение в микроэлектронной аппаратуре (ДПП, МПП).

В качестве основы для ПП СВЧ-диапазона используют неполярные полимеры (фторопласт, полиэтилен, полипропилен), полярные (полистирол, полифениленоксид) и их сополимеры. Направленное изменение свойств термопластичных материалов достигается наполнением (алунд, двуокись титана), армированием (стеклоткань) и плакированием (медная фольга)

Керамические материалы характеризуются высокой механической прочностью, термостойкостью 20 - 700°С, стабильностью электрических характеристик и геометрических параметров, низким (0    0,2%) водопоглощением и газовыделением при нагреве и высокой стоимостью. Они предназначены для изготовления одно- и  многослойных коммутационных плат, микро-сборок, для ПП СВЧ–диапазона.

Металлические платы применяются в изделиях с большой токовой нагрузкой, работающих при повышенных температурах. В качестве основы используется алюминий или сплавы железа с никелем. Изолирующий слой на поверхности алюминия получают анодным оксидированием. Варьируя состав электролита и режим электролиза, можно формировать оксидные пленки толщиной от нескольких десятков до сотен микрон с сопротивлением изоляции 109...1010 Ом.

Для разработки печатной платы эквалайзера в качестве ее материала выбран гетинакс фольгированный ГФ 1-35, так как он оптимально подходит для условий использования разрабатываемого устройства, таких как температурные режимы работы и хранения устройства, вибрационных воздействий а также условий транспортировки.

3. Выбор метода изготовления ПП

Методы изготовления ПП (рис. 3) разделяют на две группы: субтрактивные и аддитивные.

 

 

 

 

 

 Рисунок 3. Методы изготовления ПП.

 

В субтрактивных методах (subtratio—отнимание) в качестве основания для печатного монтажа используют фольгированные диэлектрики, на которых формируется проводящий рисунок путем удаления фольги с непроводящих участков. Дополнительная химико-гальваническая металлизация монтажных отверстий привела к созданию комбинированных методов изготовления ПП.

Аддитивные (additio -прибавление) методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание, на которое предварительно может наноситься слой клеевой композиции. По сравнению с субтрактивными они обладают следующими преимуществами:

1) однородностью структуры, так  как проводники и металлизация  отверстий получаются в едином  химико-гальваническом процессе;

2) устраняют подтравливание элементов  печатного монтажа;

3) улучшают равномерность толщины  металлизированного слоя в отверстиях;

4) повышают плотность печатного  монтажа;

5) упрощают ТП из-за устранения  ряда операций (нанесения защитного  покрытия, травления);

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

7) уменьшают длительность производственного  цикла.

Несмотря на описанные преимущества, применение аддитивного метода в массовом производстве ПП ограничено низкой производительностью процесса химической металлизации, интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик, трудностью получения металлических покрытий с хорошей адгезией. Доминирующей в этих условиях является субтрактивная технология, особенно с переходом на фольгированные диэлектрики с тонкомерной фольгой (5 и 18 мкм).

Субтрактивные методы. По субтрактивной технологии рисунок проводников полу-чается травлением медной фольги по защитному изображению в фоторезисте или металлорезисте. Применяются три разновидности субтрактивной технологии.

Первый вариант  – негативный процесс с использованием сухого пленочно-го фоторезиста (СПФ). Процесс достаточно простой, применяется при изготовлении односторонних и двухсторонних ПП. Металлизация внутренних стенок отверстий не выполняется. За-готовка – фольгированный диэлектрик. Методами фотолитографии с помощью сухого пленочного фоторезиста на поверхности фольги формируется защитная маска, представляющая собой изображение (рисунок) проводников. Затем открытые участки медной фольги подвергаются травлению, после чего фоторезист удаляется.

Второй вариант – позитивный процесс. Создается проводящий рисунок двухсторонних слоев с межслойными металлизированными переходами (отверстиями). Сухой пленочный фоторезист (СПФ) наслаивается на заготовки фольгированного диэлектрика, про-шедшие операции сверления отверстий и предварительной (5-7 мкм) металлизации медью стенок отверстий и всей поверхности фольги. В процессе фотолитографии СПФ защитный рельеф получают на местах поверхности металлизированной фольги, подлежащей последующему удалению травлением. На участки, не защищенные СПФ, последовательно осаждаются медь и металлорезист (сплав SnPb), в том числе и на поверхность стенок отверстий. После удаления маски СПФ незащищенные (более тонкие) слои меди вытравливаются. Процесс более сложный, однако, с его помощью удается получить металлизированные стенки отверстий.

Третий вариант – так называемый тентинг-процесс. Как и в позитивном процессе, берется заготовка в виде фольгированного диэлектрика, формируются отверстия, проводится предварительная металлизация всей платы, включая внутренние стенки отверстий. Затем наносится СФП, который формирует маску во время фотолитографии в виде рисунка печатных проводников и образует завески – тенты над металлизированными отверстиями, защищая их во время последующей операции травления свободных участков медной фольги. В этом процессе используются свойства пленочного фоторезиста наслаиваться на сверленые подложки без попадания в отверстия и образовывать защитные слои над металлизированными отверстиями. Применение тентинг-метода упрощает технологический процесс изготовления двусторонних ПП с металлизированными отверстиями. Однако необходимо обеспечить гарантированное запечатывание отверстий фоторезистом. Кроме того, качество поверхности металла вокруг отверстий должно быть очень хорошим, без заусениц.

Для изготовления печатной платы разрабатываемого устройства выбран аддитивный химический метод. Этот метод имеет явные преимущества при мелкосерийном типе производства устройств, т.к. позволяет добиться необходимой плотности монтажа и несколько упрощает ТП производства печатной платы.

4. Выбор метода металлизации ПП

Существуют следующие способы формирование токопроводящих покрытий.

Фольгирование – это процесс нанесения на изоляционное основание тонкой металлической фольги и закрепление её с помощью клея под воздействием повышенной температуры и давления. Фольга при этом служит токопроводящим покрытием, из которого в дальнейшем делают рисунок.

Медная фольга бывает холоднокатаная и электролитическая. Холоднокатаная имеет меньшую шероховатость, но худшую адгезионную способность, чем электролитическая.

Вжигание токопроводящих красок. Этот способ используется в основном на керамических пластинах. На пластину наносят пасту состоящую из окислов металлов и вжигают при высоких температурах (порядка 600…9000С).

Вакуумное напыление. Этот способ используется для диэлектрических (полимерных) и керамических оснований. Металлическая пленка наносится путем напыления металла в вакууме или в нейтральной среде.

Химическая металлизация используется в качестве основного слоя при изготовлении плат аддитивным методом или как подслой перед гальваническим осаждением в комбинированных методах.

Процесс химической металлизации основан на окислительно-восстановительной реакции ионов металла из раствора соли. На диэлектрике реакция восстановления протекает при наличии на его поверхности активного слоя. Для получения активного слоя на поверхности диэлектрика производят операции сенсибилизации и активирования.

Сенсибилизация—это процесс создания на поверхности диэлектрика пленки ионов двухвалентного олова, которые впоследствии обеспечат восстановление ионов металлизации. Платы обрабатывают в растворе двуххлористого олова и соляной кислоты в течение 5 ... 7 мин и промывают в холодной воде.

Активирование заключается в том, что на поверхности, сенсибилизированной двухвалентным оловом, происходит реакция восстановления ионов металла. Обработку проводят в растворах благородных металлов, преимущественно палладия в течение 5 ... 7 мин.

Контактное выделение палладия на меди приводит к образованию слоя из рыхлой и непрочной пленки палладия, которая снижает адгезионные свойства осажденной меди и увеличивает переходное сопротивление. Поэтому для улучшения качества металлизации используют совмещенный раствор, в котором контактное выделение палладия существенно уменьшается.

После, активирования и промывки платы, производят химическое меднение в специальных растворов.

Потом подтравливают поверхность диэлектрика в смеси хромовой и серной кислот и получают требуемую шероховатость поверхности. Такая подготовка поверхности хуже, чем с применением адгезива.

В некоторых случаях используют адгезивы, в которые добавляют катализатор для лучшего осаждения меди. Обычно используют Сu2O. В этом случае адгезив наносится через сеточный трафарет на места будущих проводников, и сразу же после этого проводят химическое осаждение меди.

Достоинства аддитивного метода: экономия меди; короткий технологический цикл; высокая разрешающая способность.

Недостатки: длительная операция химического осаждения; худшая адгезия к поверхности.

Исходя из всех вышеперечисленных сравнений для изготовления печатной платы выбираем фольгированный гетинакс ГФ-1-35.

5. Выбор способа создания рисунка на ПП

Основными методами, применяемыми в промышленности для создания рисунка печатного монтажа, являются офсетная печать, сеткография и фотопечать. Выбор метода определяется конструкцией ПП, требуемой точностью и плотностью монтажа, производительностью оборудования и экономичностью процесса.

Метод офсетной печати состоит в изготовлении печатной формы, на поверхности которой формируется рисунок слоя. Форма закатывается валиком трафаретной краской, а затем офсетный цилиндр переносит краску с формы на подготовленную поверхность основания ПП. Метод применим в условиях массового и крупносерийного производства с минимальной шириной проводников и зазоров между ними 0,3-0,5 мм (платы 1 и 2 классов плотности монтажа) и с точностью воспроизведения изображения ±0,2 мм. Его недостатками являются высокая стоимость оборудования, необходимость использования квалифицированного обслуживающего персонала и трудность изменения рисунка платы.