Рекомендации по подбору оборудования для производства печатных плат

  Сегодня рынок печатных плат в России заметно расширяется. До последнего времени на нем доминировали зарубежные производители печатных плат. Преимущества выбора импортной комплектации очевидны: малые сроки изготовления и поставок печатных плат, относительно низкая цена для больших партий, любой уровень сложности. Российские производители печатных плат, используя новейшие разработки и современное оборудование, уверенно заявляют о себе на российском рынке. Специалист-технолог дает ценные рекомендации для подготовки прототипного производства печатных плат.

Прототипное, базовое и кустовое производство печатных плат

  Проектные организации испытывают значительные неудобства в размещении заказов за рубежом. Первая проблема заключается в том, что для подтверждения очередного варианта проекта нужно 2-3 образца печатной платы одного типа. При этом зарубежный поставщик требует оплачивать заказ, как если бы он имел объем в 50...100 штук. Если учесть, что один проект проходит несколько итераций, то можно понять - низкие поштучные цены на изготовление печатных плат за рубежом на самом деле оборачиваются серьезными издержками.

  Второе обстоятельство - различия в системах стандартов в России и за рубежом. В российской документации по ЕСКД указываются требования, по форме и содержанию не подтверждаемые зарубежными стандартами. Например, требования к печатным платам по ГОСТ 23752 «Платы печатные. ОТУ» относятся к рабочим образцам печатных плат, по зарубежным - к тестовым платам. В ГОСТе оговариваются группы жесткости, уровни контроля, в зарубежных стандартах этого нет. Перечень несоответствий можно продолжить и далее.

  Третья причина - наличие государственных заказов с соответствующей приемкой. Можно аттестовать готовые печатные платы зарубежного производства на соответствие требованиям ГОСТ. Для этого нужно иметь соответствующее автоматическое тестирующее оборудование и оборудование для климатических испытаний. Дополнительные трудозатраты пойдут на проведение приемосдаточных и периодических испытаний. При строгом отношении к качеству, заказы печатных плат за рубежом становятся дороже. Заказчик в этом случае не может контролировать качество изготовления печатных плат.

  Эти и ряд других обстоятельств позволяют считать целесообразным создание прототипного производства печатных плат на месте их проектирования. Еще лучше организовывать кустовые производства, изготавливающие платы по заказам предприятий ближайшего региона. Поскольку от региональных предприятий ожидаются самые разнообразные заказы малыми партиями - от односторонних печатных плат (ОПП) и простых двусторонних печатных плат (ДПП) до многослойных печатных плат (МПП) плат 4-5 класса сложности, планируемое производство должно стать многономенклатурным и мелкосерийным.

Организация прототипного производства

  При организации современного производства печатных плат приходится ориентироваться на тенденции развития технологий, поскольку только они обеспечиваются поставками современного оборудования, расходными и базовыми материалами. Российские машиностроительные предприятия не обладают необходимой технологией, поэтому не могут создавать соответствующее оборудование для производства печатных плат. По этой причине выбор импортного оборудования обусловлен изготовлением большинства видов  печатных плат.

  На рис. 1 показана полная схема производства печатных плат (двухсторонних и многослойных) с металлизацией отверстий. Анализируя схему, становится понятно, чем отличается прототипное производство от базового. На рисунке представлены варианты реализации изготовления печатных плат по схеме тентинг-процесса и комбинированным позитивным методом. Выбор соответствующего варианта обусловлен необходимым классом точности печатных плат.

Рис. 1. Схема процессов изготовления печатных плат с металлизацией отверстий (двухсторонних и многослойных)

Выбор схемы процесса

В тентинг-процессе (см. рис. 4, Ф. Галецкий «Особенности производства печатных плат в России») металлизируется вся поверхность и отверстия заготовки печатных плат без использования экологически агрессивных процессов осаждения металлорезистов. Защита рисунка при травлении печатной платы обеспечивается пленочным фоторезистом, накрывающим проводники и отверстия. Форма пленки фоторезиста, защищающего отверстия, напоминает зонтик. Поэтому в названии процесса есть слово tent - зонтик. Травление рисунка по фоторезисту производится в кислых травителях хлорида меди, которые легко поддаются регенерации и утилизации.

Рис. 4. Производство печатных плат (тентинг-процесс)

  Тентинг-процесс хорошо сочетается с процессом прямой металлизации без химического осаждения меди. Сущность последнего состоит в отсутствии процессов химической металлизации. Проводимость поверхности стенок отверстий обеспечивается осаждением тонко-диспергированного палладия. Процессы осаждения палладия при прямой металлизации аналогичны известным процессам активации для химической металлизации. Различаются процессы тем, что при прямой металлизации палладий образует сплошной, очень тонкий проводящий слой, обеспечивающий последующие электрохимические процессы металлизации. При этом расход палладия не увеличивается.

  Тентинг-процесс в сочетании с прямой металлизацией широко распространен за рубежом и начинает применяться в России. Это наиболее прогрессивный метод изготовления относительно простых ПП (до 4 класса включительно). В тентинг-процессе приходится формировать проводники и зазоры, вытравливая «бутерброд», который складывается из толщины фольги (18 мкм) и толщины общей металлизации (35…40 мкм). Наличие подтравливания затрудняет получение тонкого рисунка (проводник/зазор 0,12/0,12 мм).

  Используя комбинированный позитивный метод, можно получить более тонкие проводники и зазоры (0,1/0,1 мм). При этом вытравливание зазоров (пробельных мест) производится из меньших толщин: фольга (18 мкм) плюс гальваническая затяжка (6 мкм).

  С появлением BGA-компонентов появилась потребность в воспроизведении еще более тонких проводников: 0,08…0,05 мм, которая обусловлена очень маленьким шагом шариковых выводов BGA-компонентов (см. рис. 2).

Рис. 2. Топология связей для монтажа BGA компонентов

  В этом случае эффективно применение полуаддитивной технологии (см. рис. 3) с использованием нефольгированных наружных поверхностей печатных плат. Поскольку химически металлизируемые поверхности в полуаддитивном методе значительно больше, чем в субтрактивном, для наружных слоев приходится применять специальные материалы, которые заранее активированы дешевыми катализаторами (например, на основе меди).

Рис. 3. Схема полуаддитивной технологии с дифференциальным травлением

Объем комплектации производства

  Спецификация оборудования прототипного производства рассчитана на использование как тентинг-процесса и прямой металлизации (см. рис. 4), так и комбинированного позитивного метода. Процессы различаются набором ванн. Большее количество задействовано в комбинированном методе. Импортные поставки предусматривают обеспечение компактными линиями и снабжение концентратами реактивов, применение которых не требует профессиональных навыков химика (так называемые процессы АВС). Процесс прямой металлизации подразумевается. На стоимость комплекта оборудования оказывают существенное влияние реализуемые форматы печатных плат и объемов производства.

  Еще один важный фактор, влияющий на стоимость оснащения прототипного производства, - необходимое оборудование (фотоплоттеры, сверлильные станки, аппараты струйной обработки при проявлении, травлении и т.п.). Дополнительно рассматриваются операции, которые можно проводить вручную (например, зачистка поверхностей) или погружением в кюветы (например, обработка фотоматериалов, подтравливание диэлектрика в отверстиях многослойных печатных плат, отмывка плат). В результате комплектацию производства можно начинать с основополагающего оборудования (нулевая очередь), при необходимости наращивать его для обеспечения требуемого качества и роста объемов производства (последующие очереди) печатных плат.

Выбор материалов для производства печатных плат

  В производстве печатных плат используются основания из композиционных материалов, состоящих из армирующих компонентов и связующего материала. Армирующие компоненты применяются для того, чтобы:

- придать основаниям жесткость и прочность

- увеличить стойкость к нагреву и прочность при воздействии температуры пайки

- выровнять температурные коэффициенты расширения (ТКЛР) металлов и материала ПП.

В таблице 1 приведены значения ТКЛР различных материалов.

Материал, площадь	ТКЛР, ppm/град С
Медь	7
Эпоксидная смола	300
Алюмоборосиликатное (электроизоляционное) стекло	8
Стеклоэпоксидная композиция	20
Керамический корпус БИС	12
Пластмассовый корпус БИС	80

Таблица 1. Температурный коэффициент линейного расширения различных материалов

  При изготовлении листовых композиционных материалов армирующие ткани пропитываются смолой и полимеризуются в прессах. При отверждении композита полимеры (связующий материал) усаживаются (до 20%). Например, усадка полимеров на основе полиамида составляет 17%. Усадки создают большие механические напряжения в композитах, которые приводят к сильному короблению оснований, отслоению смолы от армирующих компонентов, отрыву фольги и металлизации от диэлектрического основания. Только эпоксидная смола обладает уникально низкой усадкой (до 3%) и отличной склеивающей способностью. Этим обусловлено применение стеклоэпоксидных композиций в изделиях ответственного назначения.

  Эпоксидные смолы, как и другие полимеры, при нагреве расширяются. Особенно интенсивно расширение происходит после перехода температуры стеклования Т_g. Отечественные стеклопластики и большая часть импортных имеют Т_g = 100...110°C. При пайке они до такой степени расширяются, что могут ослабить металлизацию сквозных отверстий. Специальные сорта импортных материалов, в частности, группы FR-4, начинают интенсивное расширение только после 180°С. Это соответствует температуре пайки. Именно по этой причине для печатных плат повышенной надежности применяют материалы с повышенной температурой перехода Т_g.

  Один из таких материалов - полиамид, имеющий высокую температуру перехода (до 200°C). Он особенно перспективен для плат высокой плотности монтажа с диаметром отверстий порядка 0,1 мм. Композиция полиамида с кварцевой тканью имеет низкую диэлектрическую проницаемость (e_r = 2,3), что позволяет использовать ее в изделиях СВЧ диапазона.

Выбор

Выбор финишных покрытий печатных плат

  Резисты (металлорезисты, фоторезисты, краски) определяют выбор травящих растворов, подготовку монтажных поверхностей печатной платы к пайке и последовательность операций перед нанесением паяльной маски. Это один из критериев выбора финишных покрытий. В таблице 2 показаны основные системы травителей для различных резистов.

Резисты	Травящие растворы	Качество рисунка
Гальванический сплав олово-свинец	Аммиачный комплекс хлорной меди	Хорошее
Гальваническое золото	Любые	Отличное
Гальванический никель	Хлорная медь	Хорошее
Гальваническое серебро	Хлорное железо или железо	Удовлетворительное
Фоторезисты	Хлорная медь или железо	Отличное
Трафаретные краски	Хлорная медь	Плохое

Таблица 2. Травящие растворы по различным типам резистов

Другим критерием выбора является качество поверхности, которое обеспечивают финишные покрытия для сборки узлов и пайки компонентов. В таблице 3 приведены такие оценки.

Вид поверхности, характеристики	Гальванические			Иммерсионные		HAL процесс	Пассивация орг. ингибиторами	Палладий	Серебро
	олово-свинец	никель	олово	Ni/Au	Олово
Воспроизведение рисунка, мм	0,2	0,2	0,12	0,05	0,10	0,15	0,05	0,05	0,07
Паяемость	Отл.	Неуд.	Отл.	Хор.	Отл.	Отл.	Отл.	Отл.	Хор.
Повторная пайка	Отл.	Удовл.	Отл.	Хор.	Удовл.	Отл.	Удовл.	Отл.	Отл.
Компланарность	Отсутствует	Отл.	Хор.	Отл.	Отл.	Отсутствует	Отл.	Отл.	Хор.
Надежность паек	Отл.	Плохая	Хор.	Хор.	Удовл.	Отл.	Удовл.	Хор.	Хор.
Использование как металлорезиста	Можно	Возможно	Можно	Невозможно	Невозможно	Невозможно	Невозможно	Можно	Можно
Затраты относительно тентинг-проценсса	120%	115%	120%	110%	130%	100%	90%	110%	115%

Таблица 3. Оценки финишных покрытий поверхностей монтажных элементов

Для выбора финишных покрытий предлагается два варианта.

Вариант 1. Если предпочтение отдано схеме процесса, по которой при травлении рисунка для защиты используется металлорезист (КПМ), то в выборку попадают сплав олово-свинец, олово, никель, палладий и серебро. Из них по паяемости без оплавления лучшими могут быть олово, палладий и серебро. По устойчивости к электрохимическим отказам выгодно отличаются палладий и олово. По стоимости - предпочтительней олово.

Травление меди по оловянному металлорезисту осуществляется в аммиачном комплексе хлорной меди - универсальном травящем растворе. Этот состав пригоден в том числе для травления меди по фоторезисту. Таким образом, в качестве металлорезиста и покрытия под пайку целесообразно использовать олово (точнее, олово со следами кобальта). Соответственно, в качестве травителя - аммиачный комплекс хлорной меди.

Вариант 2. Если требуется изготавливать платы не выше 4 класса точности по тентинг-процессу, в качестве финишного покрытия, как правило, используют горячее облуживание по паяльной маске. В последнее время начинают использовать покрытия органическими ингибиторами ( OSP ), сохраняющими способность плат к пайке в течение длительного времени [2].

Выбор технологии формирования глухих отверстий

  Глухие отверстия предпочтительнее выполнять между наружным и ближайшими внутренними слоями печатной платы. Задача формирования - выполнить точное заглубление сверла или фрезы не дальше внутреннего слоя. Допуск на заглубление определяется толщиной межслойной изоляции. На рис. 5 показана структура слоев многослойной печатной платы, позволяющая определить величину заглубления и требуемую точность.

Рис. 5. Структура четырехслойной печатной платы

  Среди способов формирования глухих отверстий сегодня известны: фотохимический, состоящий в вытравливании глухих отверстий; лазерный; плазмохимический или сверление. Химические методы грешат возможными и трудно устранимыми загрязнениями электроизоляционного основания многослойных печатных плат. Поэтому предпочтительнее лазерный метод или сверление печатных плат.

  Лазерный метод особенно хорош тем, что при использовании СО₂-лазера луч выжигает только диэлектрик, останавливаясь на меди внутреннего слоя. Однако для лазерного формирования глухих отверстий приходится предварительно вытравливать окно для прохождения луча в фольге наружного слоя. Кроме того, выбросы продуктов сублимации из глухого отверстия загрязняют поверхность платы и требуют использования дополнительной операции очистки.

  Сверление глухих отверстий отличается меньшей точностью. Оно требует точной настройки станка на заглубление сверла. Кроме того, если рисунок внутренних слоев имеет неравномерную плотность по площади печатной платы, возможна разнотолщинность межслойной изоляции. Тем не менее, отечественный опыт промышленного изготовления рельефных плат, требующих точного заглубления рельефа, указывает на возможность использования метода сверления. Для сверления глухих отверстий целесообразно (по технико-экономическим соображениям) использовать сверление с нормированным заглублением.

Очистка отверстий печатной платы после сверления

  В процессе сверления отверстий в зоне резания достигаются температуры до 400°С. При выходе сверла на стенках отверстий, а главное - на торцах контактных площадок внутренних слоев «намазывается» расплавленная смола, мешающая надежному внутреннему электрическому межсоединению.

  Метод металлизации сквозных отверстий долгое время оставался ненадежным, пока не была решена проблема очистки отверстий. Из всего разнообразия опробованных методов очистки наиболее приемлемыми считаются: растворение в концентрированной серной кислоте, перманганатная очистка, плазмохимический метод, гидроабразивная очистка, двойное сверление. Попытаемся дать объективную оценку каждому методу по технико-экономическим критериям.

Очистка в концентрированной серной кислоте

Серная кислота лучше растворяет связующее основание, чем запекшиеся остатки смолы на торцах контактных площадок. Для обеспечения хорошей очистки отверстий растворение смолы основания идет настолько глубоко, что высвобождающаяся стеклоткань создает лабиринт, из которого невозможно вымыть остатки растворов. Поэтому приходится дополнительно использовать плавиковую кислоту для растворения стеклянного ворса.

При этом возникают следующие неблагоприятные факторы:

- плавиковая кислота оставляет на границе растворения стекла гель, который трудно удалить;

- отработанная плавиковая кислота создает экологические проблемы (соединения фтора не образуют нерастворимый в воде осадок, чтобы их можно было отделить при очистке промышленных стоков )

- при использовании серной кислоты происходит настолько глубокое подтравливание, что создается опасность ухудшения качества изоляции.

Перманганатная очистка

Ее проводят в линиях струйной обработки, по производительности она сочетается с другими аналогичными линиями. Перманганатная очистка мягче травит диэлектрик и не создает глубокого подтравливания. При этом следует выделить следующие неблагоприятные факторы:

- очистка промышленных стоков - эта операция труднореализуемая, но обязательная

- емкости с щелочным раствором перманганата должны быть выполнены из особого материала, не поддающегося растворению в этом растворе.

Отметим, что этот способ наиболее распространен в производстве за рубежом. При этом за последнее десятилетие там произошла неоднократная смена оборудования, но перманганатная очистка сохранила актуальность.

Плазмохимическая очистка

Этот метод очень эффективен для очистки отверстий, однако:

- процесс плазмохимической очистки - пульсирующий (не поточный)

- оборудование для этого метода (вакуумная камера, СВЧ-генератор, системы вакуумного отсоса и впуска газов, газобаллонное хозяйство с заботами по регулярной поставке газов) слишком дорогое, что делает его неприемлемым для большинства российских производителей многослойных печатных плат;

- процесс плазмохимической очистки требует дополнительных операций по очистке отверстий от пепла и устранения электростатических последствий.

Гидроабразивная очистка печатной платы

  Этот дорогой в эксплуатации метод возможен при наличии на предприятии мощной компрессорной станции. Он не только эффективно очищает отверстия, но и создает очень хорошую шероховатость на поверхности фольги. Его принципиальная неспособность чистить отверстия малого диаметра (до 0,3 мм) не сулит ему будущего.

Двойное сверление

  В данном случае подразумевается сверление отверстия дважды: второй раз сверлом с припуском на 0,1 мм. Поскольку при повторном сверлении энергия разрушения стенок гораздо меньше, температуры в зоне резания не настолько большие, чтобы вызвать расплавление смолы и размазывание ее на торцах контактных площадок. Для получения нужного эффекта при повторном сверлении печатной платы нужно, чтобы оборудование обеспечивало высокую позиционную повторяемость. Повторное сверление необходимо проводить, не меняя положения заготовки. При этом добиться высокой повторяемости почти невозможно. По этой причине на некоторой части отверстия все же будут оставаться продукты сверления. Соединение металлизации с торцами внутренних слоев будет происходить не по полной окружности. Несмотря на это, часть очищенного повторным сверлением отверстия будет иметь устойчивый контакт с внутренними слоями.

Гальванические процессы

  Повсеместное распространение получили кислые сернокислые электролиты меднения с выравнивающими и блескообразующими добавками. Фирм, предлагающих эти добавки на российском рынке, много. Замена добавок ведет к смене электролита, поэтому предприятия привязаны к добавкам той фирмы, с которой уже налажено сотрудничество.

  Какие бы добавки не использовались, металлизация глубоких отверстий идет при малых плотностях токов (2 А/дм²). При этих условиях ионы металла успеют достичь металлизируемой поверхности глубоких отверстий. Все меры по инициации процессов (барботаж, качание катодных штанг) не ускоряют процесс. На металлизацию затрачивается около часа.

  Также интересны технологии горизонтальных линий металлизации. Этот интерес обусловлен оригинальным решением проблемы интенсификации обновления раствора в отверстиях. В этих линиях электролит нагнетается в отверстия струями. Для устранения эффекта парусности, свойственного ваннам с вертикальной загрузкой, плата по периферии зажимается роликами, попутно выполняющими роль токоподвода при движении заготовки.

Реализуемые конструкции печатных плат

  На рисунке 6 показана структура многослойной печатной платы , реализуемая в прототипном производстве [3]. Нет необходимости говорить, что конструкция двухслойной ( двухсторонней ) проще в реализации и доступнее для начала освоения производства.

Рис. 6. Типичная конструкция многослойной печатной платы для высокоинтегрированной элементной базы

  Следовательно, прототипные производства - лишь небольшая часть (модель) полноценного промышленного производства печатных плат. Такие производства успешно функционируют и обеспечивают нужный уровень качества, рентабельность в выпуске опытных образцов, отработку проектов для передачи продукции в серийное производство.

  Если интерес производителя ограничен двухслойными печатными платами, из этой спецификации исключаются пресс и оборудование для очистки отверстий.

  В таблице 4 представлен перечень оборудования для прототипного производства печатных плат

  Отдельно оценивается тестирующее оборудование, необходимое для электрического контроля многослойных печатных плат. Для прототипного производства наиболее подходит система «летающих зондов» (Fly Probe). Она легко встраивается в многономенклатурное производство. Также для контроля используется установка автоматического оптического контроля ( AOI ).

Заключение

  Поведем некоторые итоги:

1. Не следует искать в прототипном производстве рентабельности для изготовления печатных плат большими партиями. Оно эффективно лишь в тех случаях, когда нужно быстро (за два дня или даже за 6 часов) изготовить партию опытных образцов печатных плат.

2. Представленный комплект оборудования дает возможность изготовить опытные образцы печатных плат, которые, будучи собранными в электронный модуль, могут быть поставлены на испытания для оценки состоятельности проекта.

3. Эффект от возможности изготовления плат 4 класса сложности будет «смазан», если этому классу не соответствует уровень сборочно-монтажного производства.

4. Успешно функционирующие прототипные производства подтверждают право на существование. Они же могут служить базой для обучения специалистов и разработки мер по подготовке и расширению производства.

Литература

1. Локшин Ю.А., Медведев А.М., Производство электронных модулей в России. Технологии и средства связи, 2000, №5.

2. Роскон-2001. IV Российская конференция по печатным платам. Сборник трудов. С.-Петербург, 2001.

3. Цветков Ю.Б. Многослойные печатные платы.