Технология изготовления плат.Особенности производства печатных плат 6–7-го классов точности. Как изготавливать. На что обращать особое внимание

Статья продолжает цикл материалов, посвященных организации производства многослойных печатных плат 6–7-го классов точности. В предыдущей статье были рассмотрены вопросы формирования прецизионного рисунка проводящих слоев. А сегодня мы продолжаем знакомить читателей с мнением авторов по данной проблематике.

Формирование многослойной структуры прецизионных многослойных печатных плат

Корректировка размерных изменений при производстве многослойных печатных плат 6–7-го классов точности

Металлизация отверстий с большим H:d и гальваническим заполнением

Основным параметром, характеризующим возможности техпроцесса металлизации отверстий печатных плат, является обеспечиваемая величина Н:d — основного соотношения (aspect ratio) в печатных платах. То есть при оценке возможностей металлизации принято говорить о соотношении толщины печатных плат и минимального диаметра отверстия. При этом не следует забывать, что в отечественной практике (в устаревшем ГОСТ 23 751-86 и новом ГОСТ Р 53429-2009) имеется в виду минимальный диаметр металлизированного отверстия, а в стандартах IPC — минимальный диаметр просверленного отверстия. Для многослойных печатных плат 6–7-го классов с минимальными отверстиями 0,2–0,15 мм и менее разница оценок может иметь существенное значение.

Так, учитывая, что стандартами на печатных плат толщина стенки металлизации в отверстии специфицируется на уровне не менее 25 мкм, разница между диаметрами и металлизированного, и просверленного отверстия будет 0,05 мм (50 мкм). Тогда, например, для многослойных печатных плат толщиной 2 мм с просверленными отверстиями 0,2 мм и металлизированными отверстиями 0,15 мм величина H:d (по IPC) будет составлять 10:1, а H:d (по ГОСТ) — 13:1. Для многослойных печатных плат толщиной 3,0 мм с просверленными отверстиями 0,2 мм и металлизированными отверстиями 0,15 мм значение H:d (по IPC) будет 15:1, а H:d (по ГОСТ) — 20:1.

При работе с импортными техпроцессами и рабочими растворами для металлизации отверстий печатных плат следует не забывать, что их свойства специфицируются по импортным (как правило, IPC) стандартам. В производстве печатных плат процесс металлизации отверстий определяет надежность печатных плат. В настоящее время при изготовлении печатных плат 6–7-го классов точности выдвигаются требования металлизации сквозных микроотверстий диаметром 0,1 мм при отношении толщины платы к диаметру отверстия (aspect ratio) 20:1, а для глухих отверстий такого же диаметра при соотношении 1,2:1.

Для решения этой задачи надо обеспечить соответствующее оснащение химико-гальванической линии и рабочие растворы (химические техпроцессы). В ООО «РТС Инжиниринг» есть подразделение, занимающееся разработкой и изготовлением химико-гальванических линий (ХГЛ), чей опыт работы превышает восемь лет. Химико-гальванические линии разработки и производства ООО «РТС Инжиниринг» предназначены для вертикального нанесения химических и гальванических покрытий на все виды печатных плат как в ручном, так и в автоматическом режиме.

При этом, не уступая по качеству импортным ХГЛ (поскольку используются импортные материалы и комплектующие), ХГЛ отечественного разработчика и изготовителя ООО «РТС Инжиниринг» значительно выигрывают по ценовым характеристикам (рис. 12). Существенное преимущество нашего предложения заключается в том, что мы организуем как отдельную поставку ХГЛ, так и комплексный подход — разработку и изготовление линии, концентраты компании DOW (Shipley), отработку и сопровождение технологического процесса (возможна также адаптация заказываемой линии под технологию заказчика, отличную от техпроцесса Dow, либо запуск техпроцессов Dow на ХГЛ имеющейся у заказчика).

Для обеспечения металлизации печатных плат высокого класса точности в гальванических линиях мы предлагаем использовать следующие передовые технические системы:покачивание плат;

• безвоздушное перемешивание раствора;
• вибрационную систему;
• системы фильтрации растворов;
• реверсивно-импульсные выпрямители;
• каскадные промывки с установкой на втором каскаде распылительных форсунок;
• приспособления для фиксации нижней части подвесок;
• диафрагменные анодные рамы;
• нерастворимые аноды.

При этом ООО «РТС Инжиниринг» считает целесообразной реализацию следующего технологического подхода. Поскольку в общем объеме производства, как правило, соотношение печатных плат с большим и малым H:d соответственно ≈20/80%, то целесообразно иметь две линии металлизации:

• высокопроизводительную с прямой металлизацией (палладиевой или проводящими полимерами) для плат с малым H:d ≤ 8:1 (возможно гальваническое заполнение глухих отверстий для диаметра 0,15 мм и менее);

• относительно малопроизводительную с химмедью для плат с большим H:d (>15:1), вибрацией, безвоздушным перемешиванием (сопла Вентури), принудительной подачей раствора по площади заготовки; возможны импульсно-реверсные источники тока, гальваническое заполнение отверстий. Дадим некоторые разъяснения, почему именно так.

Прямая металлизация обладает рядом преимуществ:

• высокая адгезия столба металлизации отверстия;
• нет проблемы «торцевого контакта»;
• хорошая экология (нет формальдегида и комплексообразователей в сливах);
• проводящие полимеры ложатся только на диэлектрик.

Однако при этом прямая металлизация имеет и недостатки, затрудняющие возможность (а часто делающим невозможным) ее применения для производства прецизионных печатных плат:

• худшее распределение (полупроводниковая проводимость, H:d ≤ 10:1);
• для палладиевой прямой металлизации требуется хорошая промывка (ложится в том числе и на металл).

Химмедь обладает главным преимуществом:

• хорошее распределение (в связи с металлической проводимостью слоя предварительной металлизации), возможность реализовать большие H:d (>15:1).

Но в свою очередь сохраняет серьезные недостатки:

• плохая экология (формальдегид и комплексообразователи в сливах);
• относительно низкая адгезия к диэлектрику в отверстии;
• необходимость проработки растворов после перерывов в работе на ночь (правда, только в старых составах).

Эти недостатки делают ее применение экономически нецелесообразным при производстве менее сложных печатных плат. Важнейшим фактором достижения высоких показателей при производстве печатных плат 6–7-го классов являются используемые концентраты. Мы предлагаем химикаты компании Dow, которая является мировым лидером в разработке и производстве химико-гальванической продукции для печатных плат и общей гальваники по всему миру.

Dow имеет богатейший опыт в производстве химии и разработке новейших техпроцессов металлизации печатных плат, основанный на собственных инновационных исследованиях, а также на опыте технологов таких известных компаний-производителей химикатов, как Shipley, которfz в данный момент входbт в состав Dow.

Компания предлагает весь спектр технологий для производства печатных плат, включая подготовку поверхности перед нанесением СПФ, подготовку поверхности перед прессованием слоев многослойных печатных плат, подготовку стенок отверстий перед металлизацией, различные способы прямой металлизации, нанесение химической меди, нанесение гальванической меди, нанесение гальванического олова и олова-свинца, гальванического серебра, нанесение всех видов финишных покрытий.

Перечисленные технологии Dow предусматривают использование различных химикатов и концентратов, редназначенных для производства как несложных печатных плат 1–4-го классов точности с соотношением толщины платы к диаметру отверстия (aspect ratio) до 10:1, так и сложных печатных плат 4–5-го классов точности с aspect ratio от 10:1 до 15:1. Кроме того, разработаны самые современные технологии для выпуска печатных плат 6–7-го классов точности с соотношением толщины платы к диаметру отверстия 20:1 и выше.

Выбор процессов зависит от требований заказчика и номенклатуры изготавливаемых печатных плат. Ниже более подробно представлены некоторые процессы компании Dow. Circuposit 3310 — процесс подготовки стенок отверстий печатных плат перед металлизацией, обеспечивает уникальную шероховатость для очень качественного последующего нанесения химической меди и гальваники. При своей надежности процесс очень прост в проведении и аналитике.

Правильное проведение процесса дает качественную топографию стенок отверстий даже сверхмалых диаметров 0,1 и 0,05 мм. Circuposit 3000-1 — процесс нанесения химической меди, очень надежный саморазгоняющийся процесс, который не требует отдельного этапа разгона реакции, что увеличивает скорость процесса, делает его надежным и качественным.

Данный процесс является универсальным и подходит как для металлизации простых плат 1–5-го классов точности, так и сверхсложных плат 6–7-го классов.

Для реализации процесса гальванического нанесения меди фирма Dow предлагает несколько технологий гальванического меднения в зависимости от сложности плат, вида оборудования и наличия у заказчика необходимого для аналитики оборудования.

Как показывает практика, для изготовления печатных плат 5, 6 и 7-го классов точности необходимо использовать для аналитики вольтамперометрию, то есть CVS-анализ. Все технологии гальванической меди фирмы Dow имеют уникальное распределение меди в отверстии от 80 до 96% (рис. 13).

 

Процесс гальванического осаждения меди проводится в следующих типах гальванических ванн:

• ванна гальванического меднения ELECTROPOSIT 1300 предназначена для плат средней степени сложности. Подходит в том числе и для процесса с предварительным меднением прямой металлизацией. Использует ток постоянного напряжения, контролируется ячейкой Холла;
• ванна гальванического меднения COPPER GLEAM HT-55 для плат средней и высокой степени сложности. Использует ток постоянного напряжения, контролируется CVS;
• ванна гальванического меднения COPPER GLEAM CUPULSE. Осаждение с низкой частотой пульсации тока для плат с высокой степенью сложности — 6–7-го классов точности.
• ванна заполнения глухих отверстий медью MICROFILL THF-100 для плат высокой степени сложности; диаметр отверстий печатных плат 90–100 мкм, глубина отверстий 100–150 мкм (рис. 14).

Рис. 14. Гальваническое заполнение отверстий по техпроцессу MICROFILL THF-100

Для получения гарантированного результата металлизации печатных плат 6–7-го классов целесообразно, чтобы поставщик оборудования комплексно отвечал как за конструкцию и оснащение линии, так и за запуск технологического процесса; то есть при выборе оснащения заказчику совместно с разработчиком и производителем оборудования имеет смысл выбирать и технологический процесс металлизации.

ООО «РТС Инжиниринг» всегда готово взяться за решение подобных комплексных задач. Наши технологи проходят ежегодное обучение на предприятиях фирмы Dow в Германии и Швейцарии, что позволяет проводить запуск технологий на новых, модернизированных или на старых (при замене химикатов) химико-гальванических линиях, в том числе и сторонних производителей.

Высокое и неизменное качество, надежность химикатов компании Dow и химико-гальванических линий разработки и производства ООО «РТС Инжиниринг», а также высокая квалификация наших технологов гарантируют нашим заказчикам изготовление на этих линиях качественных печатных плат, в том числе и печатных плат 6–7-го классов точности.

Корректировка размерных изменений (при малых значениях гарантийного пояска (D–d)/2)

Корректировка размерных изменений необходима для реализации ужесточенных (для многослойных печатных плат 6–7-го классов точности) требований к размеру гарантийного пояска (D–d/2).

Такая корректировка может проводиться в три этапа:

• упреждающая коррекция размерных изменений путем масштабирования фотошаблона (этап I);
• коррекция баз post-etch (этап II);
• коррекция размерных изменений после прессования (этап III).

Упреждающая коррекция размерных изменений путем масштабирования фотошаблона проводится на основании статистических данных по замерам размерных изменений на заготовках слоев для различных марок ламинатов и толщин диэлектрика и фольг. Возможна как на материальных фотошаблонах, так и на виртуальных. Позволяет компенсировать 100% величины статистически определенных размерных изменений по максимуму кривой распределения (в РФ применяется редко, поскольку требует наличия объемной и скрупулезной статистической базы данных, а потому может быть эффективна только при крупных сериях).

Коррекция баз post-etch вызвана необходимостью компенсировать размерные изменения, возникающие при частичном удалении (стравливании) фольги и связанные с проявлением внутренних напряжений, сформированных при прессовании ламинатов. Размерные изменения на этом этапе зависят от конфигурации проводящего рисунка конкретного слоя (от того, где и сколько стравлено меди). Эта коррекция позволяет компенсировать возникшие размерные изменения на 50% (располовинивает погрешность).

На наш взгляд для печатных плат 6–7-го классов точности коррекцию размерных изменений «post-etch» предпочтительно производить в системе слотового совмещения PinLam, реализуемой установками ф. Picard (рис. 15).

Эта система обладает рядом преимуществ, из которых основными являются:

• простое технологическое освоение: набрали пакеты на штыри в пресс-форме и все (не надо подбирать режимы бондирования в зависимости от структуры пакета);
• систематизация размерных изменений при прессовании (фиксация на слотах по лыскам в поперечном направлении, при наличии зазора в продольном направлении формирует так называемые линейные размерные изменения).

Это существенно упрощает процедуру коррекции размерных изменений после прессования (рис. 16).Недостатком этой системы считается необходимость использования прецизионного оборудования для пробивки слотовых баз и усложненных пресс-форм. С учетом существенного упрощения корректировок на последующих этапах (после прессования) и, принимая во внимание сложность методик корректировок и оборудования для их проведения для альтернативных систем совмещения (например MassLam), используемых на последующих этапах (после прессования) — этот недостаток представляется не столь значимым.

Необходимость коррекции размерных изменений после прессования вызвана тем, что в процессе прессования происходят наибольшие размерные изменения (до 100–200 мкм на заготовке 500-400) при том, что разница между диаметром сверла и диаметром КП в прецизионных печатных плат минимизирована. В этих условиях для того, чтобы обеспечить гарантированное попадание сверла в КП внутренних слоев, необходимо проводить коррекцию.

На этом этапе выполняется коррекция баз для формирования (сверления) переходных отверстий, масштабирование программы для формирования (сверления) переходных отверстий, масштабирование (при необходимости) фотошаблонов (материальных или виртуальных) для формирования проводящего рисунка наружных слоев, рисунка паяльной маски и рисунка маркировки.

Думается, в данной статье целесообразно рассмотреть корректировку только рентгеновским методом, так как мы считаем его наиболее эффективным и технологичным. Физическая сущность корректировки размерных изменений рентгеновским методом сводится к оценке рассовмещений массива контактных площадок относительно их проектных координат после прессования, путем анализа рассовмещений реперных площадок на внутренних слоях, как правило, в 2–4 зонах на противоположной периферии заготовки (рис. 17).

Для реализации коррекции размерных изменений после прессования ООО «РТС Инжиниринг» предлагает станки итальянской фирмы Pluritec (рис. 18). Эти станки могут выполнять как линейную (возникающую при совмещении по системе PinLam), так и нелинейную (возникающую при совмещении по системе MassLam) корректировку размерных изменений. При корректировке линейных размерных изменений после анализа рассовмещений двух или четырех реперных площадок, расположенных на периферии заготовки, назначается один коэффициент масштабирования на всю заготовку.

Если такой (линейной) оптимизации недостаточно для минимизации смещения сверла от центра отверстия, необходимо проводить нелинейную оптимизацию. В случае корректировок нелинейных размерных изменений заготовка разбивается на несколько фрагментов. При подготовке производства на каждом фрагменте наносятся свои реперные площадки, и после анализа их рассовмещений для каждого фрагмента назначается свой коэффициент масштабирования.

При этом сразу может быть просверлен массив переходных отверстий с индивидуальной относительной компенсацией (своим коэффициентом масштабирования) для каждого фрагмента заготовки. В этом случае ошибки смещения отверстий на плате, вызванные «нелинейными искажениями» будут существенно уменьшены. Следует отметить также, что в связи с уникальной особенностью конструкции стола станков фирмы Pluritec (Италия) реперные площадки могут без ограничений устанавливаться практически в любом месте по площади стола.

Сверлильно-фрезерный станок Inspecta фирмы Pluritec можно использовать для решения широкого круга производственных задач:

• сверления с рентгеновской корректировкой и фрезерования за один «установ» (обеспечивается максимальная точность, актуально при изготовлении сверхпрецизионных печатных плат);
• измерения (благодаря рентгену) множества мишеней на каждой заготовке многослойной платы для получения информации о компенсации нелинейных размерных отклонений (особенно актуально при производстве печатных плат 6–7-го классов точности);
• сверления только базовых отверстий с компенсацией размерных изменений (увеличена производительность, несколько снижена точность) — целесообразно использовать при изготовлении крупных партий относительно несложных печатных плат;
• только сверления или фрезерования, когда это необходимо;
• опционно сверления на заданную глубину контактным и бесконтактным способом (актуально для формирования глухих отверстий и изготовления ГЖПП);
• измерения различных элементов печатных плат, в том числе на внутренних слоях;
• сверления с переворотом для очень толстых плат (back drilling/flip drilling).

В следующих статьях цикла мы продолжим рассмотрение технологических этапов процесса изготовления многослойных печатных плат 6–7-го классов точности:

1. Адгезионное покрытие слоев перед прессованием.
2. Маркировка струйным принтером.
3. Финишные покрытия.
4. Аналитическая лаборатория.
5. Инженерное обеспечение производства прецизионных многослойных печатных плат.