Методыизготовления многослойных печатных плат
Введение
Методыизготовления многослойных печатных плат (МПП) постоянно эволюционируют, приэтом явно наблюдается гегелевская диалектика развития по спирали: возврат кстарому в новом качестве. Так метод послойного наращивания, уступивший в своевремя первенство методу металлизации сквозных отверстий, вернулся как способнаращивания слоев с глухими отверстиями. А метод попарного прессования можноувидеть как фрагмент изготовления МПП со скрытыми межслойными переходами.Поэтому описание прежних методов изготовления МПП, это не просто дань уваженияистории техники, а возможность возврата к ним в новых комбинациях. Мало того, вряде успешно функционирующих электронных систем эти методы до сих порприсутствуют, и никто не собирается их менять нет повода.
Чтокасается новых методов, то они неизбежно будут продвигаться вслед заинтеграцией элементной базы, увеличением функциональности аппаратуры,уменьшением ее габаритов и массы. Если рассматривать эту проблему с позицийроссийской действительности, то вслед за потерей темпов развития российской микроэлектроникиможно потерять всю отечественную электронную индустрию, если допуститьотставание в высоких технологиях печатных плат. Поэтому в этот раздел включеныи перспективные методы, и схемы изготовления МПП, уже обсуждающиеся мировойобщественностью технологов печатных плат.
Метод попарного прессования
Этотметод изготовления многослойных печатных плат основан на выполнении межслойныхсоединений посредством металлизации отверстий по типу обычных двустороннихпечатных плат. Структура МПП, реализуемая этим методом, показана на рис. 1.17.Для изготовления МПП используются две заготовки из двустороннегофольгированного диэлектрика. На одной стороне каждой заготовки фотохимическимспособом изготавливаются схемы внутренних слоев — второго и третьего. Затем сверлятсяи металлизируются отверстия межслойных переходов, со второго на первый и стретьего на четвертый слой. При электрохимической металлизации переходныхотверстий, для электрического соединения с катодом ванны используется целиковаяфольга будущих наружных слоев. Заготовки с готовыми внутренними слоями платыспрессовываются. Выдавленная при прессовании смола заполняет переходныеотверстия, защищая, тем самым, их медное гальванопокрытие от химическоговоздействия последующих технологических операций, в том числе от травления.После прессования заготовка МПП обрабатывается так же, как двусторонняяпечатная плата, — позитивным комбинированным методом с получениемметаллизированных отверстий и печатных проводников на наружных слоях. Нужноотметить, что наружный слой МПП попарного прессования дважды подвергаетсяметаллизации: при осаждении меди в переходные отверстия и при металлизациисквозных отверстий, соединяющих наружные слои. Поэтому толщина меди наружныхслоев, считая и медную фольгу, достигает 130—160 мкм.Это резко снижает разрешающую способность печатного рисунканаружных слоев, так как травление меди значительной и неравномерной толщины необеспечивает необходимого качества и плотности печатного рисунка. Кроме того,при защите печатных узлов покровными лаками создаются значительные затрудненияв получении плотного защитного покрытия: лак стекает с высоких проводников,обнажая их острые кромки.
/>
Методомпопарного прессования можно изготовить МПП с числом слоев не более четырех, чтоне всегда позволяет получить необходимую плотность монтажа.
Преимуществамиметода является относительная простота реализации, поскольку он основан наобычной технологии металлизации отверстий двусторонних печатных плат, хорошоосвоенной в промышленности. Однако прессование заготовок при недостаточнойжесткости исходного материала может приводить к разрушению металлизациипереходных отверстий, следовательно, к отказам соединений.
Метод открытых контактныхплощадок и выступающих выводов
Сущностьобоих методов заключается в прессовании тонких печатных слоев сперфорированными окнами для доступа к внутренним слоям. Межслойные соединения,как таковые, в этих методах изготовления отсутствуют. Поэтому проводники,принадлежащие одной цепи, должны лежать в одном слое.
/>
Приизготовлении МПП методом открытых контактных площадок используются полученныетравлением отдельные печатные слои. Соединения выводов навесных элементов сконтактными площадками внутренних слоев осуществляются через перфорированныеокна вышележащих слоев, как показано на рис. 1.18. В результате этого верхний слойимеет перфорации, обеспечивающие доступ ко всем нижним слоям. Очевидно, нижнийвнутренний слой имеет наибольшую площадь для трассировки печатных цепей,поскольку не имеет перфораций, а верхний наружный слой имеет наименьшую площадьдля трассировки и наибольшее количество перфорации. Таким образом, прииспользовании метода открытых контактных площадок плотность печатного рисункавнутренних слоев имеет ограничения, связанные с необходимостью перфораций дляосуществления соединений. Поэтому увеличение слойности МПП, изготавливаемыхметодом открытых контактных площадок, более пяти становится не целесообразным.Такие ограничения отсутствуют для метода выступающих выводов.
/>
Фольгированиеперфорированной стеклоткани внутренних слоев при изготовлении МПП методомвыступающих выводов производится самим изготовителем платы, так как выступающиевыводы являются продолжением печатных проводников и выходят из внутренних слоевв перфорированные окна. После склеивания пакета внутренних слоев выступающие вокна выводы отгибают на наружную поверхность платы и формуют под крепящуюколодку, как показано на рис. 1.19, либо подпаивают к контактным площадкамнаружного печатного слоя. Окна в плате предназначены для размещения микросхем.Из каждого окна должны выходить концы проводников в количестве, равном числувыводов микросхем.
Обаэтих метода отличаются простотой и сравнительно коротким технологическимциклом. Однако необходимость формовки выводов радиоэлементов на различнуюглубину и пайка в перфорированные окна повышают трудоемкость монтажных операцийдля метода открытых контактных площадок. Кроме того, при этом методе существуетограничение на число слоев (не более 5...7), так как большее их число увеличиваетглубину перфорации, что делает пайку открытых контактных площадок ненадежной.
Вотличие от других методов, метод выступающих выводов не имеет каких-либоограничений по максимальному количеству слоев. Но сосредоточение печатныхпроводников в узких переплетах перфорированных окон создает большиеперекрестные помехи и, тем самым, ограничивает трассировочные возможностипечатных узлов. Наряду с этим недостатком, следует принять во вниманиезатруднения в формовке и закреплении выступающих выводов на поверхности платы впределах периметра окна.
Метод послойного наращивания
ИзготовлениеМПП этим методом заключается в последовательном чередовании слоя изоляции иметаллизированного слоя печатного рисунка. Соединения между проводящимиэлементами печатных слоев производятся гальваническим наращиванием меди вотверстиях слоя изоляции. Типичная структура МПП, реализуемая этим методом,показана на рис. 1.20.
Изготовлениеплаты начинается с приклейки к медной фольге изоляционной прокладки сперфорациями в местах будущих межслой-ных переходов. На всех операцияхизготовления МПП методом послойного наращивания эта фольга осуществляетсоединение металлизируемых поверхностей с катодом гальванической ванны. Наконечном этапе на ней вытравливают рисунок наружного слоя.
Послеизготовления металлизированных переходов и их плана-ризации в плоскость сдиэлектриком, на поверхность межслойной изоляции полуаддитивным методомформируют печатный рисунок слоя. На изготовленный слой проводящего рисунканапрессовывают следующий слой перфорированной изоляции и через перфорациинаращивают очередные металлизированные переходы. Таким образом, последовательносоздаются слои проводящего рисунка и изоляции с межслойными переходами.
/>
Вкачестве межслойной изоляции могут быть использованы стек-лотекстолитовыепрокладки с перфорациями в местах межслойных переходов или полимерные пленки,отверстия в которых химически вытравливают в назначенных местах.
Количествослоев МПП при послойном наращивании ограничивают обычно пятью, так какизготовление каждого последующего слоя связано с многократными термическими(при прессовании) и химическими воздействиями на уже изготовленные слои.
Преимуществомданного метода изготовления МПП является исключительно высокая плотностьмонтажа, так как он дает возможность выполнения межслойных переходов в любойточке платы, независимо от трассировки и местоположения межслойных соединенийсмежных слоев. Таким образом, межслойные переходы могут выполняться независимодруг от друга, между любыми слоями в любой назначенной точке.
Ввидунеобходимости строгой последовательности выполнения операций, процессизготовления МПП методом послойного наращивания имеет длительныйтехнологический цикл. Кроме того, этот процесс требует исключительнойтщательности и качества изготовления, так как любой производственный дефект,допущенный на последних слоях, приводит к браку всей печатной платы.Использование этого метода для изготовления МПП создает дополнительныетехнологические трудности при очистке отверстий под межслойные переходы отзатеков клея, последующего тщательного визуального контроля каждого отверстияна отсутствие загрязнений, сошлифовывания вручную выступающих над поверхностьюзаготовки столбиков меди межслойных соединений до уровня поверхности изоляции идр… Попытки в какой-то мере механизировать эти операции, как правило, неприводят к положительному эффекту. Особенности гальванических осаждений втолстых слоях и длительный контакт электролитов с открытой поверхностьюдиэлектриков приводят к необходимости постоянной тщательной очисткиэлектролитов и предотвращения попадания в ванну даже незначительныхзагрязнений, которые потом могут вызвать отказ соединений по межслойномупереходу. Для обеспечения постоянных условий металлизации необходимо болеечасто, чем для других случаев, производить химический анализ, корректировку иочистку растворов ванн.
Трудностипослойного наращивания в сочетании с высокой реализуемой плотностью монтажа инадежностью выделили этот метод для изготовления уникальных МПП в лабораторномпроизводстве с высокой технологической культурой. Внедрение этого метода всерийное и даже в мелкосерийное производство затруднено.
Применениеэтого метода оправдано для создания аппаратуры с высокой надежностью. Например,печатные платы в аппаратуре космического транспорта и космического базирования,изготовленные этим методом, не имели ни одного отказа за все времяиспользования с 80-х годов прошлого столетия.
Метод металлизации сквозныхотверстий
Процессизготовления МПП методом электрохимической металлизации сквозных отверстийсостоит в изготовлении отдельных внутренних слоев химическим методом,прессовании слоев в монолитный пакет, сверлении сквозных отверстий и ихметаллизации. При сверлении на стенках отверстий вскрывают торцы контактныхплощадок внутренних слоев. Соединения их друг с другом и с контактнымиплощадками наружных слоев получаются за счет металлизации отверстий.
Типичнаяструктура МПП, изготовленной методом металлизации сквозных отверстий, показанана рис. 1.21. Поскольку все отверстия в плате являются сквозными, плотностьмежсоединений несколько ограничена, так как каждое отверстие используется длявнутреннего соединения только один раз и в то же время занимает определеннуюплощадь на каждом слое, ограничивая свободу трассировки печатных цепей. Вводяпромежуточные внутренние соединения или сквозные отверстия для групп слоев, какэто схематически показано на рис. 1.22, межслойные соединения можно располагатьдруг над другом или только между теми слоями, где они нужны, не ограничиваятрассировку печатных цепей на других слоях. Изготовление МПП по схемам,представленным на рис. 1.22, обеспечивает наибольшую свободу в выбореместорасположения внутренних соединений и путей трассировки печатных проводников,следовательно, позволяет получить максимальную плотность межсоединений.
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Технологическийпроцесс изготовления МПП по этим вариантам, в тех случах усложняется, но, темне менее, это оказывается оправданным, когда другие способы уплотнения монтажаприводят к еще большим технологическим трудностям.
Схематехнологического процесса изготовления многослойных печатных плат методомметаллизации сквозных отверстий показана на рис. 1.23.
Методметаллизации сквозных отверстий, по-существу единственный метод созданияконструкций с наиболее оптимальной электрической структурой, обеспечивающейнадежную передачу наносекундных импульсов и распределение питания междуактивными элементами. Такие конструкции МПП позволяют выполнить печатные цепикак полосковые линии передач и создают эффективное экранирование одной группыцепей от другой. Показанная для примера на рис. 1.24 типичная структура8-слойной МПП содержит 4 сигнальных слоя и 2 слоя питания. Цепи сигнальныхслоев имеют ортогональное расположение печатных проводников, т. е.преимущественное направление вдоль одной из осей координат: Xили У. Слои питания представляют собой целиковую фольгу илиметаллическую сетку с освобождениями в местах сквозных металлизированныхотверстий. В точках соединения металлизированного отверстия с цепью внутреннегослоя выполняют контактную площадку. Слои питания одновременно выполняют рольэлектрических экранов.
/>
/>
Нарис. 1.25 для иллюстрации реальной структуры МПП показан фрагмент микрошлифасквозного металлизированного отверстия.
Такимобразом, наряду с высокой технологичностью МПП, изготовленные методомметаллизации сквозных отверстий, имеют высокую плотность монтажа, большоеколичество вариантов трассировки печатных цепей, более короткие линии связей,возможность электрического экранирования, улучшение характеристик, связанное сустойчивостью к воздействию окружающей среды за счет расположения всех печатныхпроводников в массе монолитного диэлектрика, возможность увеличения числа слоевбез существенного увеличения стоимости и длительности процесса.
Недостаткомметода является относительно механически слабая связь металлизации отверстий сторцами контактных площадок внутренних слоев. Изготовление МПП этим методомосложнено проблемой точного совмещения печатных слоев из-за погрешностейфотошаблонов и деформаций базовых материалов в процессе изготовления внутреннихслоев и прессованя. Особой тщательности требует подбор режимов прессования дляобеспечения прочной адгезии пакета слоев, устойчивой к воздействию групповойпайки. И, наконец, впроцессе использования МПП возникаюттрудности, при внесенииизменений в трассировку при ремонте плат.
МПП с микропереходами
Обоснованиенеобходимости
ДляМПП со сквозными отверстиями характерен недостаток, состоящий в необходимостиразделения контактных площадок, окружающих отверстия, и контактных площадок дляприсоединения выводов компонентов. Это обусловлено утечкой припоя в сквозныеотверстия, если контактные площадки, окружающие отверстия, используются дляпайки.
/>
Нарис. L.26 показано, какменяются конструкции элементов присоединения, когда МПП изготавливаются смикропереходами.
МПП со скрытыми микропереходами на наружных слоях
Схемаизготовления МПП со скрытыми микропереходами показана на рис. Можно увидеть,что в этой схеме есть подобие попарному прессованию. Отличие лишь в том, чтометаллизацию внешнего слоя защищают от осаждения, чтобы не создавать большихтолщин меди на внешних слоях. Для этого отверстия в слое выполняют несквозными, а глухими. Не трудно увидеть также, что высверлить глухое отверстиев тонком основании на заданную глубину, не порвав фольги, невозможно. Поэтомуслой с микропереходами выполняют из фольгированного полиимида и отверстиявытравливают через перфорации фольги по местам, где должны быть отверстия.
Нужносказать, что технология изготовления МПП со скрытыми микропереходами активновытесняется методом послойного наращивания переходов на основание,изготовленное методом металлизации сквозных отверстий.
/>
Комбинация методов металлизации сквозных отверстий и послойногонаращивания
Необходимостьв дальнейшей миниатюризации электронной аппаратуры (мобильные телефоны,цифровые фотоаппараты и видеокамеры, портативные охранные системы и т.п.)привела к созданию конструкций печатных плат с высокой плотностьюмежсоединений, что в международной документации называют HDI -High Density Interconnections.Схема этого метода представляет собой последовательность, состоящую изизготовления МПП, напрессовывания на нее последовательности слоев смикропереходами, как показано на рис. 1.28. Структуру таких плат обозначаютколичеством слоев МПП, изготавливаемых по классической технологии, иколичеством послойно наращиваемых слоев с межслойными переходами. Например,структура «2 + 4 + 2» означает, что в качестве основы используется 4-слойнаяМПП, и на нее с двух сторон наращиваются по два слоя с микропереходами (см.рис. 1.22, г).
Гибкие печатные платы
Использованиегибких диэлектрических материалов для изготовления печатных плат дает какразработчику, так и пользователю электронных устройств ряд уникальныхвозможностей. Это, прежде всего, — уменьшение размеров и веса конструкции,повышение эффективности сборки, повышение электрических характеристик,теплоотдачи и, в целом, надежности.
Еслиучесть основное свойство таких плат — динамическую гибкость — становитсяпонятным все возрастающий объем применения таких плат в автомобилях, бытовойтехнике, медицине, в оборонной и аэрокосмической технике, компьютерах, всистемах промышленного контроля и бортовых системах.
Гибкиепечатные платы (ГПП) изготавливаются на полиимидной или лавсановой пленке ипоэтому могут легко деформироваться, даже после формирования проводящегорисунка. Большая часть конструкций гибких ПП аналогична конструкциям печатныхплат на жесткой основе.
/>
Выбор методов изготовленияпечатных плат
Правильныйвыбор материалов, технологических процессов и элементной базы при разработкесовременных печатных узлов во многом определяет уровень работоспособности инадежность электронного устройства в целом при рациональных экономическихзатратах в производстве. При этом рассматриваются следующие аспекты:
• Назначениеэлектронной системы: технические условия наизделия, ожидаемый рабочий ресурс, элементная база с характеристиками побыстродействию, выходному сопротивлению, уровню рабочих сигналов, напряжениюпитания и т. д.
• Эксплуатационныетребования по ремонтопригодности: возможности профилактики иремонта, наличие запасных печатных узлов и блоков.
• Окружающиеусловия при хранении и работе. Технология изготовления:совместимость с действующим производством, степень и характер механизации иавтоматизации при заданном объеме производства.
• Базовыеи вспомогательные материалы: объем возможных поставок,стоимость, необходимость отбора по специальным требованиям.
Основнымотличием, характеризующим возможности того или другого метода, можно считатьреализуемую им плотность межсоединений. При этом необходимо иметь в видупрактически возможное число монтажных точек на единицу площади поверхностиплаты. Например, для двусторонних печатных плат возможная плотность монтажа,рассчитанная теоретически, составляет 15 выводов/1 см2 приразрешающей способности по ширине проводников и зазоров, равной 0,5 мм. Однакореальные предельные значения этой плотности, как правило, не превышают 2,8выводов/см2. Практическое ограничение плотности монтажа обусловленов большей степени размерами элементов и специальными требованиями кэлектрическим параметрам печатных связей.
Всеметоды изготовления печатных плат можно расположить в следующий ряд возрастанияплотности печатного монтажа:
• односторонниепечатные платы;
• двусторонниепечатные платы (ДПП) комбинированным позитивным методом;
• ДППполуаддитивным методом;
• ДПП полуаддитивным методом с дифференциальнымтравлением;
• МПП методом попарного прессования;
• МПП методом открытых контактных площадок;
• МПП методом металлизации сквозных отверстий;
• МПП методом послойного наращивания;
• МПП комбинацией методов металлизации сквозныхотверстий и послойного наращивания.
Рассмотрениеметодов изготовления печатных плат с учетом современной практики печатногомонтажа позволяет отдать предпочтение в производстве односторонних печатныхплат — химическому методу, двусторонних — комбинированному позитивному,многослойных — методу металлизации сквозных отверстий. Названные методыпризнаны базовыми в отечественной и зарубежной практике производства печатныхсхем. Поэтому дальнейшее изложение вопросов контроля и испытаний печатных платбудет ориентировано на эти методы. Особое внимание будет уделено методуметаллизации сквозных отверстий, поскольку он сочетает в себе и химическийметод в изготовлении внутренних слоев, и позитивный метод при металлизацииотверстий и изготовлении наружных слоев.