Корректировка размерных изменений при производстве печатных плат

Процесс корректировки размерных изменений очень важен при производстве печатных плат, поэтому остановлюсь на нем подробнее, не побоясь некоторых повторов. Ибо известно, что «Повторение –мать учения».

При изготовлении многослойных печатных плат на различных этапах возникают размерные изменения. Эти размерные изменения носят фундаментальный характер и связаны, во-первых с существенным различием коэффициентов температурного расширения (КТР) материалов входящих в состав печатной платы и во вторых с существенным изменением температур, в процессе реализации режимов отдельных операций техпроцесса (в первую очередь «рецептов» прессования). Необратимые размерные изменения происходят тогда, когда температура превышает температуру стеклования (Tg) смолы склеивающих прокладок (препрега).

Смола переходит в квазижидкое состояние (состояние высокой текучести), а различные материалы, составляющие печатную плату (печатных плат) из-за различия КТР, приобретают различные размерные изменения. При остывании и затвердевании смолы препрега (переходе в состояние низкой текучести) эти размерные изменения фиксируются; одновременно возникают и внутренние напряжения в монолите печатной платы. В условиях четкой мировой тенденции использования прецизионных печатных плат в современной радиоэлектронной аппаратуре коррекция размерных изменений является очень важным процессом при изготовлении прецизионных многослойных печатных плат. В этом разделе я попытаюсь подробно рассмотреть методы и технологическое оборудование для проведения коррекции размерных изменений при изготовлении многослойных печатных плат.

Размерные изменения в процессе изготовления печатных плат существовали всегда ( их возникновение , как уже было сказано, носит фундаментальный характер). Появление размерных изменений приводит к смещению центров контактных площадок (КП) , расположенных друг над другом в разных слоях многослойных печатных плат, относительно друг друга. (Рис. 60)

В идеале их координаты должны совпадать и их центры должны быть на одной вертикальной линии. При сверлении из-за рассовмещения КП, переходные отверстия оказываются смещенными относительно центров КП. Для обеспечения надежности многослойных печатных плат вводятся ограничения на допустимые смещения отверстия внутри КП (так называемый «гарантийный поясок»). Понятие «гарантийного пояска» связано с необходимостью обеспечить защиту металлизации переходных отверстий в процессе травления проводящего рисунка наружных слоев, так как именно бездефектность этой металлизации в значительной степени определяет надежность печатных плат. Отечественный стандарт (ГОСТ 23752) специфицируя минимально допустимый «гарантийный поясок» - 25мкм, включая толщину металлизации, допускает касание окружности просверленного отверстия наружной окружности КП без выхода за ее пределы на всех слоях ( наружных и внутренних)(рис. 61).

Международный стандарт IPC (IPC- A - 600 ) допускает выход отверстия за пределы КП внутренних слоев таким образом, чтобы вышедшая за пределы КП дуга отверстия не превышала 90⁰. (Рис. 62)

Все стандарты не допускают смещения отверстий в сторону подходящего к КП проводника, так как такое смещение может существенно уменьшить сечение печатного проводника, либо даже перерезать его. Влияние этого дефекта, впрочем, легко устраняется установкой т.н. «слезок» в местах примыкания проводников к КП. (Рис 63). Практически все известные САПРы имеют функцию установки слезок в «один клик». О «слезках» упоминалось в разделе 2(рис.10), и, тем не менее считаю важным повториться, так как этот достаточно простой прием позволяет существенно увеличить % выхода годных при изготовлении прецизионнных многослойных печатных плат и общую надежность РЭА.

Из вышесказанного становится понятным, что чем больше разница между диаметром КП и диаметром просверленного отверстия (D-d) тем выше компенсационная возможность собственно конструктива печатных плат. С появлением прецизионных печатных плат и существенным уменьшением параметра D-d (до 0,15 мм и менее) для обеспечения достаточного уровня надежности возникает необходимость проведения специальных корректировок размерных изменений.

Эту коррекцию как правило проводят в два этапа.

- Прежде чем пакет слоев многослойных печатных плат отправить в пресс, его нужно поместить в пресс-форму, правильно совместив слои печатной платы друг относительно друга (коррекция размерных изменений после травления).

- После прессования необходимо совместить массив просверленных переходных отверстий с контактными площадками слоев (коррекция размерных изменений после прессования).

Особенно это критично при изготовлении прецизионных печатных плат с насыщенным рисунком. В свою очередь все прогнозы говорят, что проектирование современной радиоэлектронной аппаратуры имеет четкую тенденцию использования именно таких - прецизионных печатных плат. Изготовить надежную прецизионную печатных плат невозможно, не проведя компенсацию размерных изменений. Поэтому операция компенсации размерных изменений является обязательным и очень важным процессом при изготовлении прецизионных многослойных печатных плат.

Далее подробнее рассмотрим оба этапа компенсации размерных изменений при изготовлении прецизионных печатных плат:

• - коррекцию размерных изменений после травления;
• - коррекцию размерных изменений после прессования.

Коррекция размерных изменений после травления

Коррекция размерных изменений после травления вызвана необходимостью компенсировать размерные изменения, возникающие при частичном удалении (стравливании) фольги на рисунке слоя (рис.64), и, связанные с проявлением внутренних напряжений, возникающих при изготовлении ламинатов (особенно тонких, используемых при изготовлении многослойных печатных плат).

Ведь при изготовлении ламинатов имеют место, упомянутые ранее, процессы , когда смола склеивающих прокладок (препрега) переходит в квазижидкое состояние (состояние высокой текучести), а различные материалы, составляющие ламинат из-за разности КТР, приобретают различные размерные изменения. При остывании и затвердевании смолы препрега (переходе в состояние низкой текучести) эти размерные изменения фиксируются; одновременно в ламинате возникают внутренние напряжения проявляющиеся, как размерные изменения при частичном стравливании фольги.

Коррекция размерных изменений после травления всегда проводится в 2 приема:

- Собственно коррекция размерных изменений после травления.

- Совмещение слоев перед прессованием.

Наиболее точным и эффективным способом коррекции размерных изменений является процесс Pinlam .

Процесс PinLam, также как любой процесс коррекции размерных изменений на стадии после травления проходит в 2 приема:

- Собственно процедура коррекции размерных изменений после травления.

Она производится путем формирования 4-х прецизионных слотовых баз после выставления, вытравленных одновременно с основным проводящим рисунком, мишеней симметрично относительно матрицы пробивных пуансонов. (Рис. 65).

- Совмещение слоев перед прессованием происходит путем последовательного набора слоев в пакет; с установкой их на прецизионные слотовые штифты в пресс-форме для прессования.

Благодаря специальным слотовым отверстиям при использовании системы PinLam размерные изменения, которые возникнут в последствии при прессовании будут носить линейный характер.

Слоты сформированы таким образом (имеет место зазор между штифтом и слотовым отверстием), что слои во- первых имеют возможность к подвижкам, а во-вторых эти подвижки ( размерные изменения) могут происходить только в четко обусловленных направлениях (только вдоль лысок штифтов, а не поперек ). (Рис 66 а). Таким образом отсутствие жесткой фиксации слоев внутри пакета при прессовании существенно снижает возможность возникновения внутренних напряжений. При этом ошибка (размерные изменения) распределяется линейно от центра к периферии заготовки. ( Рис 66 б).

Для коррекции размерных изменений после травления используется, ранее не однократно упоминавшаяся, прецизионная автоматическая установка пробивки базовых отверстий во внутренних слоях фирмы Picard . (Рис.67).

Принцип работы установки пробивки основан на методе выравнивания слоев по мишеням относительно жестко зафиксированной матрицы пробивных пуансонов.

Работает эта установка так (Рис. 68):

- В процессе работы оператор устанавливает слой между фиксирующей плитой и плитой совмещения.

- После установки слоя, на экране монитора появятся базовые мишени слоя.

- Как только мишени будут обнаружены системой установки и фото - датчик «покажет», что оператор убрал руки от установки, компьютер автоматически активирует цикл совмещения мишеней симметрично относительно матрицы пробивных пуансонов. Это совмещение компенсирует в 2 раза (располовинивает), возникшие после травления размерные изменения.

- После совмещения установка автоматически производит пробивку базовых слотовых отверстий.

Работа оператора заключается только в размещении слоя в установке.

Описанные особенности определяют существенные технологические преимущества системы PinLam.

К ним можно отнести следующее:

• - Простое технологическое освоение: не надо подбирать режимы бондирования в зависимости от структуры пакета. (Набрали пакет на слотовые шифты в нужной последовательности в пресс форме - и в пресс).
• - Нет ограничений по количеству слоев и минимальному (D-d ).
• - Систематизация размерных изменений при последующем прессовании (фиксация на слотах при наличии зазора в продольном направлении – вдоль лысок) – искажения носят линейный характер (для коррекции требуется установить один к-т масштабирования для всей площади заготовки).
• - Минимизированы внутренние напряжения.
• - Данный способ существенно упрощает процедуру коррекции размерных изменений на следующих этапах - после прессования, сохраняет высокую результирующую точность и увеличенную компенсационную способность конструктива многослойных печатных плат.

На рис. 69 представлены элементы пресс-формы для прессования многослойных печатных плат на штифтах по технологии PinLam:

- втулки со слотовыми отверстиями;

- штифты слотовой формы (с лысками);

- разделительные листы с отверстиями под штифты.

Пресс-формы изготавливаются под заказ и могут быть адаптированы под использование с заготовками нескольких разных типоразмеров. Не надо забывать, что обслуживание прессформ (нанесение разделительной смазки, зачистка, отмывка) является полноценной технологической и достаточно трудоемкой операцией (Трудоемкость пропорциональна количеству прессформ находящихся в техпроцессе производства многослойных печатных плат). Хочу заранее предупредить, что у фирмы Picard имеются свои «now-how» по изготовлению прессформ, и я пока не имею ни одного примера, даже крупных предприятий, обладающими большими инструментальными производствами, которые смогли бы изготовить близкие по качеству прессформы.

В прессформы закладываются слои многослойных печатных плат, проложенные склеивающими прокладками. Кроме того используются следующие технологические материалы: разделительные слои из триацетатной пленки или материала «пакотан», теплопроводящие слои из нескольких слоев кабельной бумаги или прокладки «Блюпад».

Расчет и формирование структуры многослойных печатных плат, ее толщины и диэлектрической проницаемости промежутков (актуально при изготовлении многослойных печатных плат с нормируемым импедансом) с учетом количества слоев, их толщины, количества прокладок препрега, соотношения связующего (смолы) и армирующего наполнителя возможно с использованием закона Лихтенеккера (можно найти в Интернете), формул ГОСТ 23751-86 и ГОСТ Р 53 429 – 2009. Однако гораздо удобнее и точнее воспользоваться во множестве появившимися в последнее время калькуляторами. Например MultiCal 4 и русифицироанный MultiCal 5, также имеющиеся в открытом доступе в Интернете.

Для облегчения манипуляций с тяжелыми крупногабаритными прессформами рекомендуется использовать установку сборки/разборки прессформ с удалением штифтов PinLam BT-50. (Рис. 70).

Рабочее место сборки пресс форм рекомендуется организовывать в технологических помещениях, кондиционированных по содержанию пыли в воздухе (6 ИСО по ГОСТ14644-1-2000) (особенно это актуально при изготовлении многослойных печатных плат 5-го и выше классов точности).

Для формирования отверстий в технологических материалах рекомендуется установка PinLam SP. (Рис. 71)

Альтернативным методом формирования многослойной структуры многослойных печатных плат является процесс MassLam – это процесс последовательного набора слоев в пакет многослойных печатных плат с механическим жестким креплением слоев относительно друг друга после корректирующего смещения, т.е. фиксацией слоев в пакете относительно друг друга перед прессованием.

Для реализации процесса MassLam «РТС Инжиниринг» предлагает установку формирования временных базовых отверстий IPM60 (Рис. 72а) и ручную установку индуктивной сварки пакетов с предварительной сборкой на штифтах MBM4000 (Рис. 72б) ф. Пьер-Джакоми.

Для прессования по процессу MassLam используются прессформы, отличающиеся от пресс-форм для PinLam отсутствием втулок, штифтов и отверстий под них, но присутствием подпружиненных ограничителей.

(Рис. 73).

Следует иметь ввиду, что главным недостатком процесса MassLam является то, что после процесса прессования размерные изменения будут носить нелинейные характер, что потребует корректировки после прессования с использованием сложного алгоритма. ( Кстати, этим процесс MassLam во многом похож на широко распространенный в РФ способ прессования на 3-х круглых штифтах).

Коррекция размерных изменений после прессования

При прессовании , как упоминалось выше, происходит нагрев пакета многослойных печатных плат до температуры превышающей температуру стеклования (Tg) смолы склеивающих прокладок (препрега), переход смолы в квазижидкое состояние (состояние высокой текучести). При этом различные материалы, входящие в состав пакета многослойных печатных плат, приобретают различные размерные изменения и при остывании и затвердевании смолы препрега (переходе в состояние низкой текучести) эти размерные изменения фиксируются (т.е. носят фундаментальный и необратимый характер); одновременно могут возникать и внутренние напряжения в монолите печатной платы, проявляющиеся в возникновении значительного коробления при последующих технологических и эксплуатационных термических воздействиях. (Например при групповой пайке в техпроцессе поверхностного монтажа).

Эти размерные изменения будут тем больше, чем больше разнообразие, входящих в состав пакета многослойных печатных плат материалов, по КТР, толщинам и маркам ламинатов слоев, заполнением проводящего рисунка (соблюдения т.н. «баланса меди») и массы других конструктивных и технологических факторов. Надо иметь ввиду, что в процессе прессования происходят наибольшие размерные изменения (до 100-200 мкм на заготовке 500х400 мм). (Рис.74.) Для прецизионных многослойных печатных плат они становятся соизмеримыми с разницей между диаметром сверла и диаметром КП (D-d).

В этих условиях для того, чтобы обеспечить гарантированное попадание сверла в КП слоев прецизионных многослойных печатных плат обязательно необходимо проводить коррекцию.

Ее составляющие:

• - Коррекция баз для сверления массива переходных отверстий.
• - Масштабирование программы для сверления массива переходных отверстий и программы фрезерования по контуру.
• - Масштабирование (при необходимости) фотошаблонов (материальных и виртуальных) для формирования проводящего рисунка наружных слоев, рисунка паяльной маски и рисунка маркировки. Масштабирование фотошаблонов для формирования проводящего рисунка наружных слоев, рисунка паяльной маски и рисунка маркировки проводится на оборудовании изготавливающим ФШ (материальные или виртуальные). Первые же две функции {коррекция баз для формирования (сверления) переходных отверстий, а также масштабирование программы для формирования (сверления) переходных отверстий и фрезерования по контуру} реализуются рентгеновскими станками фирмы Pluritec. (Рис. 75). Известно несколько различных методов анализа размерных изменений после прессования. Рентгеновский метод является наиболее, на мой взгляд, эффективным.

Так например рентгеновский сверлильный станок Ispecta Combo HPL может быть использован для широкого круга производственных задач:

• - Сверления только базовых отверстий с компенсацией размерных изменений имеющих линейный характер (по 2-4-м реперным точкам с к-том - единым для всей площади заготовки). С последующим сверлением массива переходных отверстий на стандартном высокопроизводительном сверлильном станке. Расчет коэффициента масштабирования проводится программно, путем построения окружностей (наружной Rm и внутренней Rt) на «ромашке» рассовмещенных мишеней, и оценке смещения их центров относительно теоретических координат центров мишеней по проекту (см. рис. 74).
• - Оптимизации по множеству мишеней на каждом фрагменте многослойной платы для компенсации размерных изменений, носящих нелинейный характер (получающихся по технологии MassLam). Использование патентованного акрилового стола позволяет располагать реперы – мишени практически в любом месте по площади стола станка Ispecta Сombo HPL фирмы Pluritec.

• - Сверления с рентгеновской корректировкой и фрезерования за один «установ».
• - Опционно, для сверления на заданную глубину контактным и бесконтактным способом в том числе и для техники «обратного сверления» (backdrilling – используется в технике изготовления СВЧ печатных плат) и сверления с двух сторон (fiipdrilling - применяется при изготовлении сверхтолстых печатных плат). (Также эта техника актуальна для формирования глухих отверстий и изготовления ГЖ печатных плат) .
• - Станок может также использоваться для формирования слотовых отверстий по системе PinLam ( Вместо PinLam PE фирмы Picard.). Следует помнить, что для качественной реализации этой операции потребуется дополнительный расходный технологический материал (алюминиевые накладки и МДФ подкладки).

В данном разделе приведен оптимальный на мой взгляд комплект оборудования для проведения коррекции размерных изменений.

Справедливости ради следует упомянуть другие инструментальные методы коррекции размерных изменений, которые я не считаю оптимальными, так как они обременены рядом существенных недостатков.

«Masslam на заклепках»– последовательный набор слоев в пакет с механическим креплением (прижимом) после корректирующего смещения с последующей фиксацией при помощи специальных заклепок.

• - Требует сложной технологической подготовки связанной с нетривиальным подбором диаметра, материала и конструкции заклепок.
• - Имеет повышенную склонность к наличию внутренних напряжений, вызывающих коробление многослойных печатных плат после прессования и несистемные (нелинейные) размерные изменения.
• - Имеет ограничения по числу слоев и минимально допустимому (D-d).
• - Использует технически сложные методики коррекции размерных изменений с помощью послойного вскрытия мишеней или вскрытия мишеней зенкерами.

«Masslam на установках с CCD» (например DIS) – это совмещение слоев в пакете с временным механическим прижимом после корректирующего смещения, проводимого с помощью цифровой видео камеры, и бондирование после завершения набора всего пакета многослойных печатных плат на той же установке. На первый взгляд машина с CCD выглядит для пользователя очень привлекательной из-за возможности выполнять коррекцию размерных изменений, совмещение слоев и бондирование пакета в едином цикле, на одной установке.. Однако и этот вариант имеет ряд существенных недостатков подтвержденных рядом пользователей за рубежом и в РФ.

• - Высокая сложность и стоимость установки.
• - Высокая чувствительность к износу направляющих, связанная с потерей точности. Очень высокая техническая сложность замены и ремонта изношенных направляющих.
• - При поднятии прижима ( снятия механической фиксации пакета слоев), которое необходимо для укладывания очередного слоя в общую стопку пакета, часто происходит не контролируемый сдвиг слоев. Особенно часто он бывает при манипуляции с толстыми слоями (0,36 – 1,0 мм). Этот сдвиг бывает тем интенсивней, чем больше износ направляющих и чем больше коробление используемых слоев.
• - Практически для каждого конструктивного варианта пакета многослойных печатных плат необходим индивидуальный подбор режима сварки (бондирования). Существует ограничение по толщине пакета, который можно сварить.

Подводя итог вышесказанному, хочется отметить, что для производства печатных плат может использоваться как процесс MassLam, так и PinLam. Нужно четко понимать какие платы предполагается изготавливать на оснащаемом производстве. При этом при выборе технологического оборудования кроме цены отдельных установок технологического комплекта целесообразно оценивать эффективность его комплексной работы по конечному результату с учетом сложности освоения, эксплуатационных издержек, требуемого объема расходных материалов, производительности на технологическом этапе в целом, проценте выхода годных, стоимости владения.

Для простых плат класса 4 с количеством слоев до 10-12 вполне подойдет MassLam с его нелинейными деформациями. Для прецизионных плат требуется только PinLam и пока, увы, альтернативы этому процессу нет.

«РТС Инжиниринг» предлагает своим партнерам комплект технологического оборудования - оптимальный и достаточно универсальный,– который может эффективно работать по обеим технологиям. Этот комплект может быть гибко интегрирован в любой техпроцесс с любой номенклатурой и требуемыми объемами производства многослойных печатных плат, включая, как прецизионные так и относительно простые.

Комплект оборудования PinLam - 4 позиции

• - Установка пробивки базовых отверстий во внутренних слоях после травления PinLam РE.
• - Установка пробивки отверстий в препреге, фольге, разделительных и других технологических материалов прессования PinLam SP
• - Станция сборки/разборки пресформ многослойных печатных плат с устройством удаления штифтов PinLam BT – 50
• - Комплект штифтовых прессформ и шаблонов.

Комплект оборудования MassLam– 3 позици.

• - Установка формирования временных базовых отверстий IPM60
• - Установка импульсной сварки MBM4000.
• - Комплект бесштифтовых прессформ.

Универсальный рентгеновский сверлильный станок Ispecta HPL фирмы Pluritec.