Разработка конструкции и технологии изготовления печатной платы пятиполосного эквалайзера

Сеткографический метод основан на нанесении специальной краски на плату путем продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, на котором необходимый рисунок образован ячейками сетки, открытыми для продавливания. Метод обеспечивает высокую производительность и экономичен в условиях массового производства. Точность и плотность монтажа аналогичны предыдущему методу.

Самой высокой точностью (±0,05 мм) и плотностью монтажа, соответствующими 3—5 классу (ширина проводников и зазоров между ними 0,1-0,25 мм), характеризуется метод фотопечати. Он состоит в контактном копировании рисунка печатного монтажа с фотошаблона на основание, покрытое светочувствительным слоем (фоторезистом).

Фотографический метод предусматривает нанесение на подготовленную поверхность ПП специальных светочувствительных материалов—фоторезистов, которые разделяются на негативные и позитивные.

Негативные фоторезисты образуют при взаимодействием со светом защитные маски, при этом облученные участки остаются на плате, а необлученные удаляются при проявлении.

В позитивных фоторезистах под действием света происходит фоторазрушение органических молекул, вследствие чего облученные участки удаляются при проявлении.

Фоторезисты могут быть жидкими и сухими (пленочными).

Жидкие фоторезисты значительно дешевле пленочных, и для работы с ними требуется простое оборудование. Применение пленочных фоторезистов упрощает Т.П. (т.е. исключаются операции сушки, дубления, ретуширования), он легко поддается автоматизации, обеспечивает равномерное нанесение защитных слоев при наличии монтажных отверстий.

Среди жидких фоторезистов наибольшее распространение получил мате-риал на основе поливинилового спирта (ПВС). Он нетоксичен, непожароопасен, проявляется подогретой до 40 °С водой. В состав фоторезиста входят: поливиниловый спирт– 70 ... 120 г/л, бихромат калия–3 ... 10%, этиловый спирт—30 ... 50 мл/л, «Некаль»—2 ... 5 г/л, дистиллированная вода—до 1000 мл.

Недостатком фоторезистов на основе ПВС является их темновое дубление, что ограничивает срок хранения материала и заготовок с нанесенным слоем от 3 до 8 ч. Для повышения химической стойкости фоторезиста применяют химическое дубление в растворе хромового ангидрида или термическое дубление.

Позитивные фоторезисты имеют повышенную разрешающую способность, химическую стойкость, в них отсутствует темновое дубление. Примером такого фоторезиста может быть состав: 1,2-нафтахинондиазид (2)—5-сульфоэфир наволока—3 ... 5 г/л, наволочная смола—6 ... 10 г/л, ксилол — 70 ... 80 мл/л, монометиловый эфир ацетатгликоля — 20 ... 30 мл/л. Такие фоторезисты широко применяют для получения устойчивых сетчатых трафаретов методом прямой печати.

Наносят жидкие фоторезисты окунанием, центрифугированием, накаткой валками, разбрызгиванием. При окунании заготовки погружаются в кювету с фоторезистом и вытягиваются с постоянной скоростью (10 50 см/мин). Толщина слоя определяется вязкостью материала от 4 до 8 мкм.

Недостатком является неравномерность нанесенного слоя. Применение центрифугирования и накатки валками приводит к повышению равномерности наносимых слоев жидких фоторезистов.

Сухие пленочные фоторезисты (СПФ) более технологичны и могут быть использованы на всех операциях получения рисунка схемы. Они представляют собой структуру, состоящую из светочувствительного слоя, который помещается между защитной полиэтиленовой и светопроницаемой лавсановой пленками.

Для нанесения рисунка на ПП разрабатываемого устройства используется фотографический метод с применением позитивного фоторезиста ФП-383.

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Разработка технологического процесса и описание основных операций

Ниже приведена блок-схема, описывающая технологический процесс с указанием основных операций в технологической последовательности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4. Блок-схема технологического процесса.

 

1. Заготовка оснований ПП

 

Нарезка заготовок производится из стандартных листов гетинакса двумя способами.

Первый используется в мелкосерийном и среднесерийном производстве. Нарезка производится с помощью роликовых ножниц, которые изготавливаются из твёрдых металлокерамических сплавов. Ролики вращаются друг к другу и разрезают лист на полосы, которые в дальнейшем разрезаются на заготовки требуемых размеров. Отверстия в платах сверлятся на промышленных программированных станках с высокой точностью.

Второй способ используется в массовом производстве. Заготовки получают штамповкой с одновременной пробивкой базовых отверстий.

В качестве установки для нарезки заготовок печатной платы будем использовать установку «Листовые ножницы с мотором MHSU 1500/2.0 SCHRÖDER, Германия».

2. Подготовка поверхности

Подготовка поверхности выполняется с целью удаления загрязнений и окислов. Увеличение шероховатости фольги для обеспечивания хорошей адгезии фоторезиста. Механическая очистка производится с помощью латунных, капроновых и нейлоновых щёток. При этом на поверхности фольги наносится шлифовальный порошок, в результате происходит разрушение толстых слоёв окисных плёнок и увеличение шероховатости в пределах от 2,5 до 1,1 мкм.

После механической выполняют химическую обработку для удаления жировых загрязнений и остатков окислов. Сначала её выполняют в щелочных растворах с промывкой в деонизованной воде. Для нейтрализации остатков щёлочи и удаления слоя оксидов печатные платы подвергаются декопированию в растворе соляной и серной кислот. Результатом плохой очистки могут являться проколы, неполное травление меди, отслаивание, плохая адгезия фоторезистов.

В промышленных условиях очистка производится на автоматических конвейерных линиях, в состав которых входит механическая очистка, обезжиривание в щелочах, промывка в горячей воде, промывка в холодной воде, обработка в щелочах, кислотах, обработка в хромовом ангидриде и промывка в деионизованной воде.

Для выполнения вышеперечисленных операций будем использовать универсальную линию химической подготовки поверхности Depeltronik, Испания, что позволить упростить процесс подготовки поверхности печатной платы.

3. Нанесение защитного рисунка

Нанесение защитного рисунка может быть различно в зависимости от требований производства и технологических особенностей печатных плат. Для большинства типов фоторезистов общей операцией является процесс экспонирования, который производится на специальных установках, использующих ртутные или галогеновые лампы с ультрафиолетовым излучением от 300 до 350 нм. фотошаблоны помещаются на печатные платы эмульсия к эмульсии для того, чтобы не было рассеяния света по границе. Для плотного прижатия фотошаблона к печатной плате применяют вакуумирование. Засветка фоторезиста может осуществляться подвижными или неподвижными лампами. Подвижные источники ультрафиолетового излучения дают более качественное изображение, т.к. в них используется специальное оптическое устройства, создающие узкий пучок света. Далее в модулях производится проявка и сушка заготовок. Используется установка WAT 100F-LH.

4. Сенсибилизация и активация

 

Сенсибилизация – это процесс создания на поверхности диэлектрика пленки ионов двухвалентного олова, которое впоследствии обеспечат восстановление ионов активатора металлизации. Платы обрабатывают в растворе двухлористого олова и соляной кислоты (SnCl2 – 5…10 грамм на литр, HCl – 20…40 грамм на литр, остальное – дистиллированная вода) в течение 5…7 мин и промывают в холодной воде. При этом происходит гидролиз хлористого олова по реакции

 

SnCl2 + H2O = Sn(OH)Cl + HCl

Sn(OH)Cl + H2O = Sn(OH)2 + HCl

 

Активирование заключается в том, что на поверхности, сенсибилизированной двухвалентным оловом, происходит реакция восстановления ионов каталитического металла. Обработку проводят в растворах благородных металлов, преимущественно палладия (PdCl2 – 0,5…4 грамма на литр, HCl – 10…20 мг на литр, остальное дистиллированная вода) в течение 5…7 мин. На плате происходят следующие реакции:

на диэлектрике

 

Sn2+ + Pd2+ = Pd + Sn4+

 

Контактное выделение палладия на меди приводит к образованию барьерного слоя из рыхлой и непрочной пленки гидридов палладия, которая снижает адгезионные свойства химически осажденной меди и увеличивает переходное сопротивление. Для улучшения качества металлизации используют совмещенный раствор, в котором контактное выделение палладия существенно уменьшается. Совмещенный раствор имеет следующий состав (г/л): PdCl2 – 0,8…1, SnCl2хH2O – 40…70, KCl – 140…150, HCl – 150…200.

После активирования и промывки платы поступают на химическое омеднение.

5. Химическое осаждение меди

 

Химическое осаждение меди — окислительно-восстановительный процесс, который происходит вследствие восстановления ионов двухвалентной меди на активированных поверхностях из ее комплексных солей. Основными компонентами раствора химического меднения являются:

• 15—20 г/л сернокислой  меди CuSO4 — источника катионов Cu2+;

• 2—4 г/л солей  никеля NiCl2 для большей прочности сцепления меди с диэлектриком;

• 10—15 г/л щелочи NaOH для создания pH = 10—13;

• 2—4 г/л Na2CO3 для увеличения скорости химического меднения и как буферная добавка;

• 4—16 г/л восстановителя ¾ 33 %-го раствора формалина (CHOH);

• комплексообразователь ¾ калий виннокислый как стабилизатор раствора — 50—60 г/л.

При введении формалина в раствор реакция восстановления меди при комнатной температуре становится автокаталитической. Процесс химического меднения представляет собой сумму электрохимических реакций катодного восстановления металла и анодного окисления восстановителя. Основная катодная  реакция  восстановления меди выражается уравнением: .

Анодная реакция заключается в окислении формалина при pH = 12—13 и потенциале + 0,80 В. Время осаждения подслоя меди толщиной 0,5 мкм при температуре 20 °С составляет 15—20 мин. Для облегчения удаления водорода и лучшего омывания раствором отверстий малого диаметра процесс ведется с плавным покачиванием плат (8—10 качаний в минуту при амплитуде 50—100 мм).

Для повышения качеств металлизации ПП в серийном производстве применяют специальное технологическое оборудование, которое обеспечивает поддержание температуры с точностью ±1 С и состава растворов, повышает производительность труда в 10 раз, снижает стоимость металлизации на 20—30 % по сравнению с ручным трудом.

Для химической металлизации ПП используют автоматические линии типа АГ-38, АГ-42, оснащенные набором ванн необходимого размера и автооператором. В соответствии с заданной программой подвески с платами перемещаются автооператорами, управляемым командоаппаратом, производительность составляет 30 шт/ч.

Гальваническую металлизацию в производстве ПП применяют:

• для образования проводящего рисунка схемы с толщиной меди в отверстиях не менее 25 мкм;

• для предварительного увеличения тонкого слоя химической меди до толщины 5—8 мкм с целью последующего формирования рисунка схемы;

• для нанесения металлического резиста, например олово—свинец, толщиной 10—20 мкм либо специальных покрытий золотом, серебром толщиной 2—5 мкм.

Для предварительной металлизации (затяжки) отраслевыми стандартами рекомендуются борфтористоводородные и сернокислые  электролиты меднения. Первый состоит из: 230—250 г/л борфтористой меди Cu(BF4)2 ¾ источника ионов; 5—15 г/л борфтористоводородной кислоты HBF4, вводимой для повышения злектропроводности электролита; 15—40 г/л борной кислоты H3BO3, необходимой для стабилизации электролита. Процесс ведут при температуре (20±5) °С, катодной плотности тока 3—4 А/дм2, скорости осаждения  20—30 мкм/ч. В качестве оборудования используют автооператорную и управляемую ЭВМ линию АГ-44 или универсальные лабораторные установки типа УПУГ-1, УПУГ-2, имеющие ванны с автоматическими регуляторами температуры и пневматическими механизмами для покачивания штанг.

6. Удаление защитного рисунка

Сухие пленочные фоторезисты (СПФ) удаляются при помощи специальных растворителей, типа метиленхлорид, тринатрий фосфат, 3...5%. Удаление осуществляется в специальных ваннах. Время удаление можно уменьшать, если держать определенную температуру растворителя (40 градусов) и производить регулярное помешивание. Контроль удаления защитного рисунка осуществляется визуально.

7. Нанесение защитного сплава

 

Готовые печатные платы с проводящим рисунком необходимо защитить от коррозии, а также улучшить паяемость. Поэтому применяют сплавы олово – свинец:

- ПОС – 61 имеющий температуру  плавления 183 градуса.

- РОЗЕ (свинец 25%, висмут 50% и олово 25%) температура плавления 94 градуса.

Сплавы наносятся окунанием, паяльником или гальваническим методом. Наиболее распространен гальванический метод.

8. Выходной контроль