Прессование многослойных печатных плат

Наибольшее распространение в отечественной и зарубежной практике получили многослойные печатные платы на стеклоэпоксидной основе. Структура этих многослойных печатных плат представляет из себя многослойный пирог из слоев с сформированным травлением проводящим рисунком и склеивающих прокладок стеклоткани пропитанной полуполимеризованной (находящейся в β-стадии) эпоксидной смолой. Процесс прессования таких многослойных печатных плат носит термореактивный характер и характеризуется одновременным термическим увеличением текучести смолы склеивающих прокладок (препрега), с одной стороны, и уменьшением ее текучести, с другой стороны, связанным с формированием поперечных сшивок между линейными молекулами полуполимеризованной смолы препрега (перехода ее ά-стадию).

Соотношение скоростей двух этих процессов зависит от скорости нагрева во время прессования и приводит к формированию так называемых реологических характеристик – параметрам изменения вязкости во времени (Рис.52).

На начальном этапе цикла прессования процесс увеличения текучести (уменьшения вязкости) преобладает и это характеризуется нисходящим участком реологической кривой; на втором этапе – наоборот: преобладает процесс уменьшения текучести (увеличения вязкости).

Рис 52. Реологические характеристики термореактивных препрегов разных марок.

При выборе режимов прессования необходимо учитывать следующие закономерности:

1) Чем больше скорость нагрева, тем меньшую вязкость (большую текучесть) можно достичь. При этом происходит хорошее заполнение рельефа; хороший вынос пузырьков газа , обеспечивающий высокую монолитность структуры. Однако при этом одновременно происходит обильный вытек облоя и высока вероятность обеднения смолой структуры многослойных печатных плат (рекомендуемая ширина вытека облоя ≈ 25 мм по периферии заготовки). Кроме того при высокой скорости нагрева и малой вязкости - смола быстрее теряет состояние текучести (имеет очень короткое время геля).

2) Скорость нагрева зависит от выбранного режима прессования в части начальной температуры плит пресса в момент их смыкания:

• - холодный старт – температура при смыкании плит – 20-30⁰С, скорость нагрева 3-4⁰С/мин;
• - теплый старт - температура при смыкании плит –100-120⁰С, скорость нагрева 5-7⁰С/мин;
• - горячий старт- температура при смыкании плит –ок. 180⁰С, скорость нагрева 10⁰С/мин.

(Режимы приведены для стандартного FR 4)

3) Чем меньше скорость нагрева, тем больше минимально достижимая вязкость (смола менее текуча); тем менее эффективно заполнение рельефа (склонность к непропрессовке); тем меньше вытек облоя (вероятность остатков пузырьков газа на периферии рабочего поля многослойных печатных плат); при этом возможно смещение волокон стеклоткани при воздействии смолы с низкой вязкостью (формирование внутренних напряжений). Но зато, чем меньше скорость нагрева, тем дольше смола сохраняет состояние текучести.

Следует не забывать, что для сушки склеивающих стеклоэпоксидных прокладок ( препрега) нельзя применять традиционный метод нагрева, при повышенных температурах начнется ускоренный процесс полимеризации. Можно использовать лишь выдержку в шкафах сухого хранения и вакуумирование. Допускается при хранении использовать селикагель и другие адсорбенты, а также другие приемлемые методы обезвоживания атмосферы.

Термореактивные смолы после однократного цикла прессования, при повторном нагреве уже не переходят в текучее состояние.

Другим типом диэлектрического материала для формирования структуры многослойных печатных плат являются термопластичные смолы. Эти смолы могут многократно переходить в текучее состояние при каждом цикле нагрева.

В связи с этим возможны следующие способы формирования структуры многослойных печатных плат:

1) Прессование многослойной структуры за один цикл, состоящей только из материалов на базе PTFE – политетрафторэтилена (фторопласта) (как с использованием склеивающих прокладок, термопластичных или термореактивных, так и без склеивающих прокладок, но при достаточно высокой температуре прессования – св. 350 ⁰С).

2) Прессование многослойной структуры за один цикл, состоящей как из одного типа диэлектрика, так и из различных типов диэлектрика ( но при этом используется один тип препрега - термопластичный или термореактивный).

3) Последовательное прессование структур, состоящих из различных типов диэлектрика с различными типами препрега.

Последовательное прессование реализуется - либо термореактивными препрегами; - либо термопластами с последовательным уменьшением температуры плавления и соответственно температуры прессования, используемых склеивающих прокладок.

Материалы прессования

Несколько слов о стеклотканях используемых при производстве печатных плат. Как и в любых тканях в стеклотканях используются такие понятия как уток и основа.

Основа — продольная система направления параллельных друг другу нитей в ткани, располагающихся вдоль обеих кромок ткани.

Уток, поперечные нити ткани, расположенные перпендикулярно к нитям основы и переплетающиеся с ними. Нить уток прокладывается между нитями основы при зевообразовании и затем прибивается (продвигается) к опушке ткани.

При прессовании для минимизации коробления, являющегося одной из основных характеристик печатных плат, необходимо чтобы в пакете ориентация нитей во всех слоях была одинаковой – основа к основе; уток к утку.

Хочу обратить внимание конструкторов и технологов, что в импортных нормативных документах (IPC и др.) коробление рассчитывается в процентах, как отношение вертикального прогиба печатных плат к ее диагонали. В отечественных же НТД (ГОСТ 23752) коробление является условной величиной и рассчитывается по формуле раздела 4 пункта 4.2.3., где величина диагонали (опоры) приведенная к 100 мм присутствует в квадрате.

Как говорилось выше, для прессования многослойных печатных плат используются склеивающие прокладки – препреги, и наиболее распространенными являются препреги состоящие из одного слоя стеклоткани пропитанного полуполимеризованной смолой FR-4. При этом технология прессования многослойных печатных плат и ламинатов очень похожи, а для набора нужной толщины используются препреги со стеклотканью разной толщины. Характеристики наиболее распространенных материалов приведены в Таблице.

Прессование многослойных печатных плат на основе стандартных стеклоэпоксидных диэлектриков (типа FR 4 – на основе дифункциональной, тетрафункциональной, многофункциональной эпоксидной смолы) широко распространено и давно известно. Поэтому в рамках данноого раздела нет смысла углубляться в эту тему. Последнее время становится актуальным изготовление СВЧ многослойных печатных плат для которых используются диэлектрики с уменьшенными значениями диэлектрической постоянной (ε). В связи с этой востребованностью на рынке появилось большое разнообразие этих материалов. Приведу в качестве примера некоторые из них.

Термореактивные склеивающие пленки:

• - Speadboard C – сополимер PTFE c термореактивным эпоксидным сополимером. ( Тпрес=180-220 ⁰С);
• - Fast Rise 27 (Taconic) – пленка PTFE наполненного керамикой, покрытая термопластичным адгезивом( Тпрес=215 ⁰С);
• - ТаgPreg ТР32(Taconic) – для склеивания RF35, RF35P, RF35A и TacLam (Тпрес=200 ⁰С);
• - 25N/25FR (Arlon) неполярная термореактивная смола, наполненная керамикой и армированная стеклотканью. ( Тпрес=182-200 ⁰С);
• - RO 2929 (Rogers) ( Тпрес=245-250 ⁰С) неармированный термореактивный тонкопленочный адгезив.

• - СTFE-хлортрифторэтилпропилен ( Таконик Такбонд НТ1.5; Аrlon 6250/6700; GenClad) – ( Тпрес=218-220 ⁰С);
• - FEP-фторированный этилпропилен (Дюпон FEP, FEP C20; RO3908) – (Тпрес=274-280⁰С) неполярная термореактивная смола, наполненная керамикой и армированная стеклотканью);
• - РТFE- политетрафторэтилен (RO3000 bond ply)- ( Тпрес=382-390 ⁰С) . Для фольги 18 и 35 мкм склеивающая прокладка не обязательна.

Оборудование прессования.

Коль скоро в описании склеивающих прокладок упомянуты температуры прессования, хочу обратить внимание, заинтересованного читателя на то, что высокая температура прессования (˃ 350⁰С) требуется только для прессования фторопласта (РTFE) cо склеивающими прокладками RO 3000 ф. Роджерс, либо без прокладок вовсе. При этом альтернативой может служить, например, использование склеивающей прокладки RO 2929 (или аналогичной), которая позволяет снизить температуру прессования. Дело в том, что масляные пресса для многослойных печатных плат ( в частности пресса ф. Бюркле, давно и хорошо известные в РФ) выпускаются под 3 диапазона максимальных температур прессования - 260⁰С, 330⁰С и 400⁰С.

Последний из вариантов требует применения специального масла, работающего в инертной атмосфере, т.е пресс должен быть оснащен еще и азотной станцией – это существенно удорожает стоимость пресса и усложняет его эксплуатацию. Поэтому, при выборе пресса, я бы рекомендовал технологам, прежде чем выбрать модель с максимальной температурой прессования 400⁰С, вспомнить известную поговорку, и «Семь раз отмерить ( т. е. подумать, насколько целесообразно заказывать пресс с температурой прессования до 400⁰С), прежде чем отрезать».

На рис 53. представлена конфигурация автоматизированного центра прессования ф. Бюркле. Это один из вариантов оснащения прессового участка, особенностью которого являются:

• - автоматизированная система загрузки/выгрузки (актуальная при работе с крупно габаритными тяжелыми прессформами);
• - наличие одного или двух горячих прессов и холодного пресса, позволяющих сократить цикл прессования, и за счет этого увеличить общую производительность участка;
• - наличие в составе центра стеллажа хранения прессформ оптимизирующего организацию труда на участке.

Рис.53. Гибкий производственный модуль Work Cell² BURKLE

Рис. 54. Пример планировки участка прессования

Линейная и нелинейная корректировка размерных изменений.

В этом подразделе еще раз рассмотрим корректировку размерных изменений и ее место в формировании структуры многослойных печатных плат. В дальнейшем корректировка будет более подробно рассмотрена как отдельный этап технологии изготовления прецизионных печатных плат.

Коррекция размерных изменений важна и полезна при изготовлении любых печатных плат. А изготовление печатных плат 6-7го классов точности по ГОСТ Р 53429=2009 (прецизионных печатных плат) уже просто не возможна без выполнения коррекций размерных изменений. Основная коррекция размерных изменений чаще всего производится на 2-х этапах - на стадии после травления рисунка слоев («post-etch») и после прессования.

Коррекция баз после травления («post-etch») вызвана необходимостью компенсировать размерные изменения, возникающие при частичном удалении (стравливании) фольги на слоях и связанные с проявлением внутренних напряжений, сформированных при прессовании ламинатов. Эти размерные изменения зависят от конфигурации проводящего рисунка конкретного слоя (от того, где и сколько стравлено меди).

Для печатных плат 6-7-го класса точности предпочтительной в части обеспечения точности и простоты технологического освоения является система слотового совмещения при наборе пакета прессования реализуемая установками ф. Пикард (система PinLam – рис.11). Которая заключается в последовательном наборе слоев в пакет с предварительным формированием на них (пробивкой) 4-х прецизионных слотовых баз после корректирующего смещения по реперным точкам. Слои устанавливаются на слотовые прецизионные штифты в пресс-форму для прессования.

Основными преимуществами этой системы являются:

1) Простое технологическое освоение - набрали пакеты на слотовые штыри в прессформе и все ( не надо подбирать режимы бондирования в зависимости от структуры пакета);

2) Фиксация на слотах по лыскам – в поперечном направлении, при наличии зазора в продольном направлении слотов задает размерным искажениям линейный характер. При использовании данного способа происходит физическая систематизация размерных изменений при прессовании и это существенно упрощает процедуру коррекции размерных изменений после прессования.

На рис. 55. проиллюстрирована систематизация размерных изменений при 4-х слотовом базировании с корректировкой баз «post-etch» по системе РinLam, а на рис.56 внешний вид установки ф. Пикард.

Рис.55. Систематизация размерных изменений
при 4-х слотовом базировании с корректировкой
баз «post-etch» по системе РinLam

Рис. 56. Прецизионная установка пробивки базовых
отверстий во внутренних слоях после
травления фирмы Пикард.

В процессе прессования происходят наибольшие размерные изменения (до 100-200 мкм на заготовке 500х400) при том, что у прецизионных печатных плат разница между диаметром сверла и диаметром КП минимизирована. В этих условиях для того, чтобы обеспечить гарантированное попадание сверла в КП внутренних слоев необходимо проводить еще один этап коррекции. Для его реализации РТС Инжиниринг предлагает рентгеновский станок ф. Плюритек. (Рис. 57).

Рис. 57. Рентгеновский станок Плюритек (Италия).

Вообще существует несколько методов корректировки размерных изменений, но рентген является наиболее эффективным и технологичным. С его помощью корректировка производится программным анализом положения реперных меток на каждом слое и введением оптимизирующего коэффициента масштабирования в программу сверления баз и всего массива переходных отверстий. Сверление баз и всего массива переходных отверстий может выполняться за «один установ». При этом обеспечивается повышенная точность. Возможно конфигурировать станок т.о., чтобы за этот же «один установ» выполнялась и фрезеровка.

Допускается использовать станок только для сверления откорректированных баз. При этом обеспечивается повышенная производительность, так как массив переходных отверстий может сверлиться на чисто сверлильном станке по уже откорректированным базам и с учетом рассчитанных коэффициентов масштабирования.

При использовании технологии PinLam, когда размерные изменения носят линейный характер достаточно вводить единый коэффициент масштабирования на всю заготовку по двум или 4-м реперным точкам на периферии рабочего поля (см. рис. 58).

Станки ф. Плюритек, позволяют проводить корректировку и нелинейных размерных изменений. При нелинейных размерных изменениях (возникающих, например, при безбазовом методе совмещения - MassLam) оптимизации, для минимизации описанного выше смещения сверла от центра отверстия становится уже недостаточно.

В этом случае становится необходимо разбить площадь заготовки на несколько секций (фрагментов). Для каждого фрагмента к-т масштабирования рисунка должен быть задан индивидуально рентгеновской системой и сразу просверлен с индивидуальной относительной компенсацией ( т.е. со своим к-том масштабирования). (Рис.59).

Рис. 58. Корректировка линейных размерных искажений

Рис. 59. Система корректировки нелинейных искажений (MassLam)

Кстати, рентгеновские станки ф. Плюритек, в связи с особенностью конструкции стола (акриловый стол), одни из немногих на рынке аналогичного оборудования, позволяют устанавливать реперные точки практически в любом месте рабочего поля стола.

При этом печатная плата будет зафиксирована на столе станка во время всего процесса оптимизации и сверления. Используя описанную технику оптимизации станки ф. Плюритек позволяют существенно уменьшить смещения отверстий на плате относительно центров КП вызванные как линейными, так и нелинейными искажениями.