Изучение технологии изготовления печатных плат с высокой плотностью коммутации

Основные способы изготовления печатных плат

В настоящее время насчитывается большое число способов изготовления ПП (КП), которые в зависимости от методов, положенных в основу формирования коммутационных элементов, можно разделить на:

• 
  субтрактивные (фотохимические либо химико-механические, например, офсетная печать), когда проводящий рисунок получают удалением путем травления проводящего слоя (фольги) с участков поверхности, образующих непроводящий рисунок (с пробельных мест);
  
• 
  полуаддитивные (химико-гальванические), когда проводящий рисунок получает при нанесении проводящего слоя на непроводящее (диэлектрическое) основание с предварительно нанесенным тонким (вспомогательным) проводящим покрытием, впоследствии удаляемом с пробельных мест;
  
• 
  аддитивные (химические), когда проводящий рисунок получают нанесением проводящего слоя заданной конфигурации на непроводящее (диэлектрическое) основание плат;
  
• 
  с использованием приемов толстопленочной либо тонкопленочной технологии;
  
• 
  рельефные, когда проводящий рисунок задается рельефом, выполненным в диэлектрическом основании, а с пробельных мест осажденный проводящий слой удаляется преимущественно шлифованием;
  
• 
  комбинированные, когда для получения проводящего рисунка применяют комбинации различных способов (например, субтрактивного и полуаддитивного и т.д.) в конкретных целях (например, для производства ПП на основе фольгированного диэлектрика с металлизацией сквозных отверстий и др.).
  

Таблица 1
Распределение погрешностей
при изготовлении МПП различной сложности

Типы погрешностей	Значения погрешностей (мм) изготовления плат для ЭВМ ЕС типа «Ряд» 1-4 поколений
	1	2	3	4
Позиционная погрешность координатора	0,1	0,02	0,02	0,03
Погрешность базирования фотошаблонов	0,03	0,03	0,02	-*
Деформация основы фотошаблонов	0,12	0,12	0,08	-
Погрешность воспроизведения геометрических размеров топологических элементов	0,05	0,03	0,02	0,02
Деформация слоев МПП	0,2	0,1	0,08	0,05
Позиционная погрешность при совмещении слоев	0,1	0,01	0,02	0,02
Погрешность базирования при сверлении отверстий	0,03	0,03	0,02	0,02
Суммарная погрешность (производственная погрешность)	0,28 (0,3)**	0,17 (0,2)**	0,12 (0,15)**	0,07 (0,07)**
* Численные значения отсутствуют. ** Значения, используемые при разработке конструкции МПП.

В настоящее время в производстве печатных плат чаще используется способ травления фольги для получения рисунка проводящего слоя. Для повышения плотности рисунка коммутации и монтажа все шире попользуются фольгированные диэлектрики, полученные с применением тонкомерной медной фольги толщиной 5-10 мкм. В этом случае можно изготовить платы с шириной печатного проводника и величиной зазора между провод­никами до 0,15 мм (минимальные значения этих параметров состав­ляют 0,2 и 0,3 мм при толщине фольги 35 и 50 мкм соответственно). В связи с этим в последнее время особое значение приобретают различные варианты аддитивной технологии.
Самый простой способ изготовления печатных плат - субтрактивный (по субтрактивной технологии без металлизации отверстий) (рис. 4), однако более распространен комбинированный способ по­лучения ДПП, основанный на том же фотохимическом методе, т.е.
травлении незащищенной маскирующим слоем фольги, но с обеих сто­рон фольгированного диэлектрика и дополненный созданием переход­ных межслойных соединений путем химико-гальванической металли­зации отверстий (рис. 5).



Комбинированный способ характеризует­ся видом рисунка (в защитном слое), переносимого при печати, с этим связано и название разновидностей используемых технологий. Так, если защитный рельеф предохраняет фольгу (рабочие ее участ­ки) при травлении, технологию называют комбинированной негативной (рис. 5,а); если защитный рельеф предохраняет фольгу (нерабочие ее участки) при гальваническом (либо химико-гальваническом и др.) осаждении - комбинированной позитивной (рис. 5,б). Вторую используют чаще. Как видно из рис. 5, сверление и металлизацию отверстий осуществляют до получения печатных проводников, что ис­ключает брак по причине срыва контактных площадок при сверлении отверстий и не требует применения специальных контактирующих приспособлений при электрохимической металлизации этих отверстий. Процесс изготовления ДПП по комбинированной негативной техноло­гии иногда используют для металлизации сквозных отверстий с одновременным доращиванием (гальваническим "усилением", например, припоем либо благородным металлом) проводящего слоя (так как защищенный слой фоторезиста сформирован на нерабочих участках фольги, а ее рабочие участки открыты для осаждения), после чего следует травление фольги с пробельных мест.
Преимуществами субтрактивной технологии изготовления ПП яв­ляются простота реализации и высокая технологичность при удов­летворительном качестве рисунка проводящего слоя.
Качество готовой ПП зависит от режимов обработок в производ­стве плат. Несоблюдение режимов обработок может привести к браку. При некачественной очистке перед нанесением фоторезиста плата может иметь места, имеющие плохую адгезию. При травлении это при­водит к стравливанию меди в ненужных местах или к подтравам из-за отслоения фоторезиста. Качество экспонирования может быть низким, если лампа недостаточно прогрета или фотошаблон неплотно приле­гает к заготовке; оно существенно зависит от плотности фотошаб­лона, которая может изменяться при замене фотошаблона, от толщины и сплошности слоя фоторезиста, условий экспонирования и во многом определяет точность рисунка проводящего слоя.

Рис.5а Основные операции субтрактивной технологии изготовления ПП с металлизацией сквозных отверстий: а) комбинированная негативная: I. Очистка заготовки фольгирования; II. Сверление сквозных отверстий; III. Сенсибилизация и активация; IV. Химическое осаждение меди; V. Формирование маскирующего покрытия; VI. Гальваническое наращивание меди; VII. Гальваническое наращивание материала припоя; VIII. Удаление маски; IX. Селективное травление проводящих слоев; X. Изготовление технологических отверстий; XI. Формирование защитного покрытия (для пайки). 1 - медная фольга; 2 - диэлектрическое основание платы; 3 -химическиосажденный слой меди; 4 маскирующее покрытие; 5 – гальванически осажденный слой меди; 6 - припои Sn/Pb; 7 - защитное покрытие для пайки; 8 - технологическое отверстие.



При термическом эадубливании увеличение температуры выше 140 °С обычно вызывает сложности удаления фоторезиста после травления проводящего слоя, а выше 160 °С может привести к растрескиванию фоторезиста и его отслаиванию прежде всего по краям рисунка.. В то же время недостаточная температура или время задубливания фоторезиста, как правило, также приводят к отслаиванию его при травлении проводящего слоя, поскольку интенсивная сорбция влаги пленкой фоторезиста в проявителе способствует ее разбуханию (деформации), а возникающие при этом напряжения приводят к разрушению адгезионных связей на границе фоторезист - заготовка платы. Скорость и качество травления зависят от ряда факторов: концентрации, температуры и интенсивности перемешивания травителя. В случае некачественной промывки после травления могут ухудшиться параметры платы в процессе эксплуатации вследствие коррозии печатных проводников, уменьшения поверхностного сопротивления диэлектрика и т.д. Поэтому отработка технологического процесса получения ПП на каждой операции для конкретного типа оборудования связана прежде всего с оптимизацией технологических режимов, например, подсушка фоторезиста перед экспонированием важна для осуществления контактной печати (в противном случае возможно повреждение фоторезиста фотошаблоном при печати), хотя воздействие температуры несколько снижает светочувствительные свойства фоторезистов, что отражается на точности воспроизведения рисунка в проводящем слое, следовательно, компромиссное решение - поиск оптимальной температуры.
Основными недостатками субтрактивной технологии и ее комбинированных вариантов являются большие потери при травлении (до 60 - 90 %) высококачественной электролитической меди, ограниченная плотность рисунка проводящего слоя (ограничивается толщиной фольги и связанными с этим подтравами) и, следовательно, невысокая плотность монтажа на таких ПП (применение тонкомерной фольги лишь частично решает эту проблему). Кроме того, при организации такой технологии требуется решение проблемы, связанной с переработкой сточных отходов, так как регенерация меди, нейтрализация травителей и очистителей экономически выгодны только в условиях крупных предприятий при больших объемах производства ПП. Тем не менее субтрактивная технология вследствие ее лучшей в сравнении с другими, освоенности и оснащенности пока еще занимает доминирующее положение в массовом производстве ПП в нашей стране.
В аддитивной технологии рабочая толщина печатных проводников достигается только путем химического меднения, поэтому технологическими приемами должно обеспечиваться прочное сцепление осаждаемой меди с поверхностью диэлектрика. С этой целью на его поверхность наносятся специальный адгезив, часто эпоксикаучук, толщиной 25-100 мкм, который затем обрабатывается диметилформамидом до частичного набухания и смесью, например, хромового ангидрида с серной кислотой до небольшого травления (подтравлввания) адгезива. В результате на поверхности адгезива возникают свободные связи, повышающие эффективность последующих процессов сенсибилизации и активами материала основания платы (в том числе и стенок отверстий).
При сенсибилизации на поверхности формируется пленка ионов двухвалентного олова, которые являются восстановителями для ионов активатора металлизации. Активация поверхности проводится растворами солей благородных металлов, чаще палладия, в результате чего на поверхности образуется тонкая пленка металлического палладия. Затем формируется защитный рельеф в слое фоторезиста и производится селективное химическое осаждение меди до получения рабочей толщины (10-30 мкм), после чего защитное покрытие удаляется.
Основные этапы изготовления ПП по аддитивной технологии представлены на рис. 6. Такая технология позволяет получать ширину печатных проводников и зазоры между ними до 65 мкм при толщине проводников до 30 мкм. Это существенно повышает плотность печатных проводников и монтажа на плате. Недостатки аддитивной технологии связаны прежде всего с тем, что процесс химического меднения - один из трудоемких и сложных в технологическом цикле производства ПП (на его долю приходится 20 - 40 % брака). Это объясняется целым рядом причин: низкой стабильностью раствора химического меднения, трудностью получения качественных слоев большой толщины, сложностью управления самим процессом химического осаждения, трудоемкой предварительной подготовкой материала основы платы, а также худшей адгезией и ухудшенными физико-химическими свойствами химически осажденной меди в сравнении с гальванической из-за различия их структур, что связано, со "спецификой, процессов осаждения.



Полуаддитивный способ изготовления ПП представляет собой реализацию сочетания технологий химического и гальванического осаждения. Особенность полуаддитивной технологии состоит в том, что на тонком (до 1,5-5 мкм) слое химически осажденной меди формируют рисунок в защитном покрытии так, чтобы рабочие участки меди были открытыми, после чего осуществляют гальваническое селективное наращивание проводников до толщины 20-50 мкм, затем удаляют зшдитное покрытие и тонкий слой меди с пробельных мест (рис. 7). Интерес к данной технологии возрос после существенного повышения адгезии печатных проводников за счет сенсибилизации и активации материала основания платы (включая стенки металлизируемых отверстий). Основные преимущества аддитивной и полуаддитивной технологий заключаются в возможностях повышения плотности коммутации ПП, значительной экономии меди и практически неограниченном выборе диэлектрического материала основания плат. Недостатками таких технологий являются снижение электрофизических свойств диэлектрических оснований в результате воздействия на них электролитов и (или) растворов химического меднения в процессе химико-гальванического или химического осаждения, меди, малая скорость химического осаждения меди (около 1-2 мкм/ч), нестабильность свойств растворов химического меднения и электролитов и др. (табл.1).
Совершенствование имеющихся и разработка новых технологий для получения металлической разводки при изготовлении плат осуществляются не только с целью улучшения качества металлизации, в особенности переходных отверстий (на долю которых приходится основной процент брака в производстве ПП), но и для повышения плотности коммутации плат, обеспечивающей их применение в сложных устройствах с высокоплотным монтажом. Кроме того, немаловажно учитывать проблемы улавливания и переработки сточных отходов химико-гальванического производственного участка в плане требований