Гибкие печатные платы, по дисциплине Компьютерные интегрированные системы: Разработка и производство изделий

Кристалл.cdw

Линия вырубки (показана условно)
При монтаже схемы вырубить по линии вырубки
При установке на плату вывода микросхемы
формовать согласно разрезу В-В
При нанесении защитного покрытия использовать
компаунд "СИЭЛ" 159-322
Монтажная плата на разрезе В-В показана
Полиимид фольгированный

Теоретическая часть к курсовому проекту.docx

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
«Компьютерные интегрированные системы: Разработка и производство изделий»
«Гибкие печатные платы»
ст. преподаватель Титов А.Ю.
Типы гибких печатных плат4
Материалы для гибких печатных плат7
1 Основные критерии выбора материала гибких печатных плат7
2 Гибкие пленочные базовые материалы8
3 Склеивающие пленки для гибких плат11
4 Металлическая фольга14
Производство гибких печатных плат18
1 Полуаддитивная технология18
2 Субтрактивная технология19
Список используемых источников29
Развитие конструкций и технологий в микроэлектронике идет всоответствии с существующим законом развития технических систем. Примером такого прогресса являются гибкие печатные платы. Гибкая печатная плата - это один или более слоев диэлектрика на котором сформирована хотя бы одна электропроводящая цепь. Она предназначена для соединения отдельных электронных элементов или узлов в единое действующее устройство.
Использование гибких печатных плат позволяет улучшить массогабаритные показатели что позитивно отражается на создании трехмерных конфигураций. Коммутация гибкой платы позволяет получить произвольный рисунок обеспечивая возможность использования нескольких разъемов в заранее заданной ориентации а также возможность сгибания для изменения ориентации.
Целью курсового проекта является создание надежного и качественного кристаллодержателя для БИС модификации 2. Для обеспечения поставленной цели необходимо проанализировать и выбрать технологию изготовления и материал гибкого носителя.
Типы гибких печатных плат
Классификации гибких печатных плат по типу конструкции следующие:
) Односторонняя гибкая печатная плата содержащая один проводящий слой с упрочнениями или без них (рисунок 1).
Рисунок 1 – Односторонняя гибкая печатная плата [1]
) Двухсторонняя гибкая печатная плата содержащая два проводящий слой и сквозные металлизированные отверстия с упрочнениями или без них (рисунок 2).
Рисунок 2 – Двухсторонняя гибкая печатная плата [1]
) Многослойная гибкая печатная плата содержащая три и более проводящих слоев со сквозными металлизированными отверстиями супрочнениями или без них (рисунок 3).
Рисунок 3 – Многослойная гибкая печатная плата [1]
) Гибко-жесткая печатная плата содержащая три и более проводящих слоя со сквозным металлизированными отверстиями (рисунок 4).
Рисунок 4 – Гибко-жесткая печатная плата [1]
) Гибкая или гибко-жесткая печатная плата содержащая два или более проводящих слоев без сквозных металлизированных отверстий (рисунок5).
Рисунок 5 – Двухсторонняя гибкая печатная плата [1]
Рекомендуется указывать тип использования (назначение) вконструкторской документации (КД) для изготовления.
Категория A. Гибкие платы гибкость которых необходима только впроцессе сборки (статическая устойчивость).
Категория B. Гибкие платы постоянно изгибающиеся в процессе работы (динамически устойчивые). Эти платы разделяются на «периодически» гибкие (сотни и тысячи циклов перегибов) и «непрерывно» гибкие (миллионы имиллиарды циклов перегибов). Поэтому для них в КД указывается устойчивость к определенному количеству перегибов и условия (радиусы) перегибов.
Категория C. Платы для высокотемпературных применений (более105°С).
Категория D. Платы подпадающие под сертификацию UL т.е. имеющие повышенную огнеустойчивость сопоставимую с огнеустойчивостью жестких плат.
Материалы для гибких печатных плат
К сожалению пока не существует идеального фольгированного диэлектрика для гибких плат наиболее полно отвечающего требуемым характеристикам. Эти характеристики охватывают широкий спектр свойств материала которые могут быть необходимы в производстве гибких плат. Несмотря на то что ни один из известных материалов не способен отвечать всем требованиям которые могут возникать у производителей и потребителей и эти требования часто противоречат друг другу все же имеет смысл представить себе как выглядит идеальный материал чтобы правильно ориентироваться при выборе реальных предложений.
1 Основные критерии выбора материала гибких печатных плат
Очевидное требование к материалам гибких плат - гибкость. Взависимости от области применения гибкие платы могут подвергаться воздействию экстремальных температур. Поэтому крайне важна гибкость в широком диапазоне температур. Особое значение имеет гибкость при низких температурах когда большинство материалов становятся хрупкими.
Гибкий фольгированный диэлектрик должен обладать исключительной стабильностью размеров. Усадка или расширение базового материала гибкой платы в процессе обработки вызывает проблемы при изготовлении и сборке. Можно предпринять ряд мер для компенсации нестабильности размеров подложек если в этих мерах нет необходимости это определенно является преимуществом при выборе материалов. Так как на большинстве сборочных производств электронной аппаратуры для монтажа компонентов применяются высокотемпературные групповые процессы нагрева такие как пайка оплавлением крайне важно чтобы выбранный для изготовления изделия материал был в состоянии устойчиво выдерживать температуру пайки.
Многие конструкции гибких плат являются тонкими инеармированными поэтому они склонны к краевым разрывам. А значит базовый материал для изготовления гибких плат должен иметь высокое сопротивление надрывам и разрывам.
Еще одним важным показателем являются электрические характеристики гибких печатных плат. С увеличением скорости передачи сигналов растут и будут продолжать расти требования к диэлектрическим свойствам. При высоких скоростях передачи сигналов (более 100 МГц) материал должен иметь малую диэлектрическую проницаемость и низкий тангенс угла потерь. Кроме того для различных высокоэнергетических задач желательно иметь высокое сопротивление изоляции.
При выборе материала для гибких печатных плат необходимо учитывать такое свойство как влагопоглощение. Влага может негативно сказаться как на производственном процессе вызывая расслоение при обработке или сборке так и на характеристиках готового изделия изменяя значение диэлектрической проницаемости иувеличивая потери сигнала. Влагопоглощение нежелательно для любого гибкого основания.
Материал гибкой платы должен противостоять воздействию ряда химических реагентов сопровождающих его в процессе изготовления иэксплуатации. Материал должен быть совместим с различными химическими реагентами и типичными растворителями которые используют в процессах сборки и отмывки.
Стремление к недорогим решениям – повсеместная практика в области электроники. Как правило в расчетах себестоимости изделия цена базового материала стоит в первой строчке. Бесконечный поиск более дешевого материала чтобы немного увеличить прибыль и производителя и потребителя неизбежен. Однако нужно помнить что реальная ценность материала определяется тем как он влияет на общую стоимость процесса изготовления иготового изделия а не тем сколько будет стоить его покупка и доставка.
2 Гибкие пленочные базовые материалы
Базовый материал представляет собой гибкую полимерную пленку играющую роль основы фольгированного диэлектрика. Обычно базовый материал гибкой платы обеспечивает большинство основных ее физических иэлектрических характеристик. Когда речь идет о безадгезивных конструкциях печатных плат базовый материал определяет все их характерные свойства.
Хотя толщина пленки может варьироваться в широких пределах большинство предлагаемых гибких материалов имеют сравнительно малую толщину: от 12 до 125 мкм. Очевидно что более тонкие материалы обладают большей гибкостью однако не следует забывать жесткое инженерное правило: для большинства материалов жесткость пропорциональна кубу толщины. Это означает если толщина материала удваивается он становится в 8 раз жестче ипри той же нагрузке прогнется в 8 раз слабее.
Все эти пленки и тонкие композитные материалы использовались для изготовления гибких плат и многие из них продолжают применять вопределенных задачах. Стоимость этих материалов может варьироваться вшироких пределах (рисунок 6).
Рисунок 6 – Ориентировочное сравнение относительной стоимости фольгированных диэлектриков гибких плат (полиэтиленнафталат PEN фторэтилен-пропилен FEP) [2]
В настоящее время среди базовых материалов гибких плат наибольшей популярностью пользуются и чаще всего закладываются в конструкции полиэфирные пленки (PET) и полиимид (PI). Какие пленки следует применять можно определить если учитывать сочетание экономических требований требования к готовому изделию температуру групповой пайки а также требования законодательства ЕС в области бессвинцовых технологий распространяющиеся на массовую бытовую аппаратуру для рынка Европы.
В современных решениях могут преобладать полиимид и полиэфир но существуют и альтернативные пленочные технологии применение которых по ряду веских причин может расти. Например полиэтиленнафталат (PEN) выглядит привлекательным промежуточным решением между полиэфиром иполиимидом с точки зрения стоимости и функциональных характеристик.
Удовлетворить потребности будущего в применении гибких печатных плат потенциально могут материалы еще одного типа – тонкие фторполимерные фольгированные диэлектрики. Хотя материалы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ или PTFE) не всегда хорошо подходят для динамических конструкций они могут найти применение там где требуются малые потери и низкое значение диэлектрической проницаемости.
Типичные значения тангенса угла потерь для политетрафторэтилена существенно ниже 0001 а диэлектрическая проницаемость обычно находится вдиапазоне 2–24 (чистый ПТФЭ имеет уникально низкую проницаемость близкую к 18). Производная политетрафторэтилена – фторэтилен-пропилен (ФЭП или FEP) – имеет намного меньшую температуру размягчения: 288 °C против 338 °C у политетрафторэтилена.
В таблице 1 приведено сравнение основных свойств полиимидных иполиэфирных оснований с точки зрения их применения в конструкциях гибких плат.
Таблица 1 – Общая сравнительная характеристика полиэфирных и полиимидных пленок
Отличная гибкость при любой температуре
Хорошие электрические характеристики
Отличная стойкость к воздействию химических реагентов
(за исключением горячих растворов щелочей)
Очень хорошее сопротивление разрыву
Наивысшая прочность при растяжении
Обладает сопротивлением разрыву
Низкое влагопоглощение
Хорошая стойкость к воздействию химических реагентов
Продолжение таблицы 1
Поглощает влагу (до 3% по весу в зависимости от состава)
Относительно дорог по сравнению с полиэфиром
Высокотемпературные характеристики ограничены используемыми
Применение пайки ограничено
Не подходит для экстремально низких температур
(полимер становится хрупким)
Поддерживает горение при содержании кислорода
соответствующего обычному воздуху
В таблице 2 дается более подробная информация по некоторым физическим и электрическим характеристикам более широкой группы базовых материалов гибких печатных плат.
Таблица 2 – Сравнение свойств гибких базовых материалов
3 Склеивающие пленки для гибких плат
Клеящие пленки (адгезивы) используются в фольгированных диэлектриках для скрепления слоев. Когда речь заходит о термостойкости адгезив обычно ухудшает характеристики фольгированного диэлектрика особенно когда базовым материалом является полиимид обладающий исключительно большой нагревостойкостью. Из-за сложностей использования полиимидных адгезивов в настоящее время во многих полиимидных гибких платах применяются системы адгезивов из других групп полимеров. Тем не менее предпочтительны некоторые новые термопластичные полиимидные адгезивы получающие достаточно широкое распространение.
Как и пленочные базовые материалы адгезивные пленки поставляются сразличной толщиной. Выбор толщины как правило зависит от задачи. Например адгезивы различной толщины широко применяются при выполнении покровных слоев для удовлетворения требований по заполнению пазух врисунке проводников в связи с использованием медной фольги разной толщины.
Склеивающие пленки для гибких плат используются либо для приклеивания металлической фольги к базовому материалу при изготовлении фольгированного диэлектрика либо для прессования фольгированных слоев вмногослойные структуры. Обычно склеивающие пленки подбирают тщательно чтобы обеспечить наилучшее сочетание характеристик фольгированного материала.
Ниже приводится краткое описание основных свойств склеивающих пленок которые чаще всего применяются для гибких плат. В таблице 3 приведено сравнение их основных свойств.
Таблица 3 – Сравнение некоторых свойств склеивающих пленок
Тип склеивающих пленок
*Полиэфир не пригоден для пайки. Исходное значение прочности на отрыв для полиэфирных пленок составляет 09 Нмм.
Полиэфирные склеивающие пленки обычно используются вместе с полиэфирными фольгированными диэлектриками однако в некоторых задачах они применяются и с другими материалами.
Основные достоинства полиэфирных пленок – их низкая стоимость инизкие температуры процесса соединения. Но существует и недостаток: полиэфирные пленки имеют низкую нагревостойкость что ограничивает их применение.
Еще один недостаток заключается в том что текучесть полиэфирных пленок в процессе прессования слоев бывает настолько высокой а соединение относительно непрочным что это создает значительное ограничение для их использования. Несмотря на это полиэфирные пленки пригодны для многих задач не связанных с обеспечением высокой нагревостойкости.
В производстве гибких плат широко используются акриловые пленки. Их часто предпочитали для изготовления многих полиимидных фольгированных диэлектриков из-за их отличной адгезии и простоты применения. Акриловые пленки обладают хорошим балансом приемлемых тепловых характеристик (способности выдерживать температуру пайки) простоты применения и природной способности образовывать достаточно прочные соединения со множеством различных материалов.
Обратная сторона медали – склонность акриловых пленок к разбуханию в рабочих растворах горячих щелочей которые широко используются во многих линиях химической и гальванической металлизации печатных плат. Помимо этого они имеют высокий ТКР поэтому в многослойных и гибко-жестких конструкциях они становились основной причиной образования трещин вметаллизации сквозных отверстий из-за избыточного расширения по оси Z.
Эпоксидные клеи – одни из самых часто применяемых адгезивов вмире так что неудивительно что они нашли свое применение и в гибких платах. Эпоксидные клеи и их модифицированные варианты представляют собой практически универсальные адгезивы способные создавать соединения со множеством различных материалов включая металлы керамику и полимеры.
Эпоксидные клеи обладают хорошими высокотемпературными свойствами и обеспечивают лучшие значения прочности на отрыв после термоудара имитирующего процессы пайки.
Отрицательный момент их использования – то что по своей природе эпоксидные клеи более хрупкие чем некоторые альтернативные варианты. Однако эта проблема успешно устраняется модификацией состава материала за счет введения пластификаторов.
Эпоксидные клеи также склонны к поглощению влаги поэтому при использовании в производстве они требуют несколько большего внимания.
Применение полиимидных клеев на полиимидных основаниях ограничено решением узкого круга задач связанных с высокими температурами процессов. Однако полиимидные клеящие пленки обеспечивают более согласованные и как следствие лучшие характеристики фольгированного диэлектрика.
Типичные полиимидные клеящие пленки термопластичны но при прессовании требуют более высоких температур и давления. В результате платы с применением полиимидных клеев обладают самой высокой термостойкостью среди всех конструкций гибких плат. Кроме того полиимидные пленки предпочтительны для применения в многослойных и гибко-жестких изделиях поскольку они обладают меньшим ТКР.
4 Металлическая фольга
В качестве проводящего элемента структуры гибкого материала чаще всего используется металлическая фольга: это материал из которого обычно вытравливаются проводники платы. Хотя в типовых фольгированных диэлектриках для гибких плат применяется катаная и отожженная медь на рынке присутствует большое разнообразие типов металлической фольги разной толщины позволяющих сделать выбор для изготовления гибких плат.
В подавляющем большинстве случаев в гибких конструкциях используется медная фольга. В последнее время для удовлетворения специальных требований предлагается фольга из других металлов. Практически любой металл если из него можно получить фольгу является кандидатом на применение в производстве гибких плат в этом качестве. Хотя имеется выбор из множества альтернатив только некоторые материалы находят широкое применение на практике. Ниже приведено описание лишь небольшого числа из всего многообразия предлагаемых типов металлической фольги а также обзор некоторых их практических и потенциальных применений.
Медная фольга используется в подавляющем большинстве всех решений на основе гибких плат. Существует много типов медной фольги. Стандарт на металлическую фольгу IPC-4562 (заменивший IPC-MF-150) определяет восемь различных типов медной фольги для печатных плат объединенных в две более крупные категории — электроосажденную и катаную фольгу по четыре типа вкаждой. Большинство типов медной фольги подвергается неглубокой поверхностной обработке с одной стороны для улучшения адгезии к базовому материалу.
Электроосажденная медная фольга для производства гибких плат обычно не применяется но модификация и обработка такой фольги может сделать ее вбудущем более жизнеспособным вариантом. Тем не менее такая фольга недорогая хорошо подходит для определенных задач и ее охотно используют впроизводстве гибких плат во многих странах. В таблице 4 приведено сравнение их основных свойств.
Стандартная электроосажденная медь рекомендуется главным образом для статических применений из-за своей зернистой структуры как правило столбиковой. Этот тип структуры зерна плохо приспособлен к динамичному изгибу поскольку вертикальные границы зерна образуют короткий путь для распространения трещины.
Одним из вариантов стандартной электроосажденной меди описанных встандарте IPC-4562 является термообработанная электроосажденная медная фольга. Этот тип фольги подвергается обработке при высокой температуре для модификации структуры зерна меди после электроосаждения и придания фольге большей пластичности. Такую фольгу можно применять в некоторых динамических конструкциях так как при обработке происходит рекристаллизация структуры зерна что приближает ее к структуре катаной иотожженной меди.
Наиболее часто используется катаная и затем отожженная медь. Такая медь изготавливается с помощью традиционных методов металлообработки. Процесс заключается в прохождении бруска меди через ряд металлических роликов пока не получится тонкая фольга. Затем производится термообработка фольги делающая медь очень мягкой. С помощью этого метода можно изготавливать недорогую фольгу толщиной до 18 мкм (12 унции). Применяя специальные ролики можно получить еще более тонкую фольгу но такая фольга обычно предлагается по цене выше номинала. Катаная фольга является самым распространенным типом медной фольги для гибких плат иблагодаря своей структуре зерна обычно обеспечивает отличную долговременную стойкость к изгибам. В конструкциях гибких фольгированных диэлектриков могут применяться ковкие сплавы меди. Фольга из них может обладать более высокой прочностью и ударной вязкостью. Эти сплавы имеют преимущества при применении в гибких конструкциях с малой деформацией ивысокой циклической долговечностью.
Алюминиевая фольга использовалась для специальных задач где требуется снижение веса или стоимости а конструкция допускает применение алюминия. Этот материал с успехом используется в простых гибких экранах.
Таблица 4 – Сравнение некоторых свойств фольги из различных металлов
Металлическая фольга
Отожженная катаная медь
Электроосажденная медь
Покровные плёнки или защитные слои – аналоги паяльной маски но они должны быть гибкими. Правильное использование покровных пленок увеличивает устойчивость плат к перегибам. Обычно покровный слой представляет собой двуслойный материал состоящий из базового материала иподходящего термореактивного адгезива. Однако в покровных слоях также могут применяться термопластичные пленки из одного материала. Материалы покровных пленок – недополимеризованные полимеры на основе акрилатов полиуретанов акрилоэпоксидов. Если для обнажения монтажных поверхностей используется фотолитографические процессы в пленки вводят фотоинициаторы позволяющие им избирательно отверждаться в УФ-облучении. Фотопроявляемые покровные слои как и паяльную маску его наносят вакуумным способом чтобы достичь хорошего прилегания в местах вокруг проводников. Затем как и светочувствительная паяльная маска материал экспонируется и проявляется обеспечивая доступ к элементам рисунка платы.
Материалы покровных слоев часто применяются для создания гибких фольгированных диэлектриков путем присоединения к ним металлической фольги. Это обычно делается когда производитель гибких плат изготавливает свой собственный материал.
Производство гибких печатных плат
В субтрактивных методах (subtratio – отнимание) в качестве основания для печатного монтажа используют фольгированные диэлектрики на которых формируется проводящий рисунок путем удаления фольги с непроводящих участков. Дополнительная химико-гальваническая металлизация монтажных отверстий привела к созданию комбинированных методов изготовления печатных плат.
Аддитивные (additio – прибавление) методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание на которое предварительно может наноситься слой клеевой композиции. По сравнению с субтрактивными они обладают следующими преимуществами:
-однородностью структуры так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином химико-гальваническом процессе;
- устраняют подтравливание элементов печатного монтажа;
- повышают плотность печатного монтажа;
Несмотря на описанные преимущества применение аддитивного метода в массовом производстве ПП ограничено низкой производительностью процесса химической металлизации интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик трудностью получения металлических покрытий с хорошей адгезией. Доминирующей в этих условиях является субтрактивная технология особенно с переходом на фольгированные диэлектрики с тонкомерной фольгой (5 и 18 мкм).
1 Полуаддитивная технология
Для изготовления гибкого носителя на пленку из полиимида наносится слой адгезива и после разрезания пленки на ленты в ней с помощью соответствующих инструментов автоматически пробиваются отверстия под кристаллы и балочные выводы. Затем на ленту наклеивается металлическая фольга. Далее лента поступает на операции избирательного травления металлической фольги для формирования балочных выводов с последующим осаждением защитного покрытия из олова никеля или золота. Для производства полиимидных носителей используется и полуаддитивная технология. Она является унифицированной для производства гибких носителей и плат предусматривает травление полиимида для формирования переходных отверстий вакуумное осаждение пленок Cr - Cu на полиимидную пленку фотопечать избирательное гальваническое наращивание проводящих слоев Cr - (Sn - Bi) формирование окончательного конструктива путем травления полиимида.
Преимущественным методом присоединения алюминиевых выводов носителя к алюминиевым контактным площадкам кристалла является ультразвуковая сварка. Поочередное присоединение каждого вывода носителя к соответствующей контактной площадке кристалла конечно снижает производительность процесса однако применение методов технического зрения в значительной степени позволяет автоматизировать процесс микромонтажа в целом.
Объемные выводы присоединяются к внутренним медным выводам рамки носителя различным способами: импульсной эвтектической пайкой Sn - термокомпрессионной сваркой Au - лазерной импульсной пайкой или сваркой.
2 Субтрактивная технология
Классическая схема процесса представлена на рисунке 7. Схема процесса изготовления однослойной гибкой платы во многом совпадает с классическими схемами производства плат с жестким основанием и отклонения от них могу быть вызваны только специфическими требованиями.
Рисунок 7 – Классическая схема процесса изготовления гибких плат без металлизации отверстий
Выбор базового материала был описан выше. Для резки на заготовки как фольгированного так и рулонного материала (адгезива склеивающего или покровного слоя) наиболее часто используют обычные высококачественные режущие устройства применяемые для резки бумаги. Для резки рулонных материалов можно применять и автоматические бумагорезательные машины с автоматической раскладкой листов. Во избежание образования складок или деформирования материала нужно следить за остротою режущего инструмента. Высокоскоростные бумагорезательные машины гильотинного типа автоматически нарежут фольгированный материал по заданному размеру и обеспечат более высокое качество кромки чем стандартные бумагорезательные машины. Тонкие фольгированные материалы с толщиной меди 18 мкм или нефольгированные пленки толщиной 12 микрон при резке иногда переслаивают бумагой чтобы обеспечить более хорошую опору тонким заготовкам. Работать с материалами нужно только в перчатках.
Нарезанные на заготовки материалы до использования нужно хранить в сухом шкафу в закрытой таре или кассете при температуре 25 ±10 °С и относительной влажности менее 65 ±15%.
Следующим технологическим этапом производства гибких печатных плат является очистка поверхности медной фольги перед нанесением фоторезиста. Катаная отожженная медная фольга используемая в фольгированных композиционных материалах имеет специальную обработку позволяющую увеличить и сохранить хорошее сцепление с адгезивом на полиимидной пленке во время мокрой химической обработки и при пайке. Обычно такая обработка относится только к той поверхности меди которая контактирует с адгезивом на полиимидной пленке.
Внешние поверхности меди имеют противоокислительное покрытие защищающее от потускнения которое удаляют перед наслоением фоторезиста. Удаление окислов и дополнительное развитие поверхности меди обеспечивает хорошую адгезию фоторезиста. Достаточно чистую шероховатую поверхность меди можно получить механической и химической очисткой.
Механическую очистку медной фольги можно осуществлять как вручную так и на конвейерных установках. Ручная очистка кислой суспензией пемзы и вращающейся щеткой с пневматическим приводом используется для чистки гибких ламинатов весьма широко. Порошок пемзы с зернистостью 6 по ГОСТ6456 или аналогичной импортной дает наилучшую поверхность для адгезии фоторезиста и его гораздо легче отмыть чем более мелкозернистые фракции. При чистке следует избегать приложения чрезмерно сильного или неравномерного давления на щетку поскольку этим можно растянуть или деформировать материал что приведет к появлению размерной нестабильности. Чтобы минимизировать подвижки материала при чистке необходимо под пленочный материал положить резиновую опорную подкладку.
После очистки поверхности ламината надо полностью удалить все остатки пемзы очень тщательной промывкой (до получения поверхности сохраняющей целостность пленки воды без разрыва). Если на поверхности сохранятся какие-либо остатки пемзы или следы масел это может обусловить плохую адгезию фоторезиста и локальные дефекты травления.
После механической очистки и промывки во избежание потускнения от окисления заготовки нужно немедленно высушить. Конвейерные сушилки воздухом характеризуются наименьшей деформацией и короблением тонких материалов. Очень тонкие материалы могут иногда нуждаться в жестких транспортных подложках-спутниках.
Конвейерные установки очистки широко используются в промышленном производстве печатных плат. Вместе с тем некоторые старые установки изначально предназначенные для чистки поверхностей жестких материалов могут деформировать тонкий гибкий материал. Когда вращающиеся щетки хорошо отрегулированы на обработку поверхности меди нежный ничем не поддерживаемый тонкий гибкий материал неизбежно будет растянут идеформирован. Конвейерные установки для очистки меди иногда можно использовать для фольгированных полиимидных пленок толщиной 125 и 75 мкм или даже меньше если требования к допускам на размеры не являются критически важными. В таких случаях чтобы пропустить через конвейерную установку гибкие ламинаты нужно прикрепить их к жестким подложкам-спутникам либо по передней кромке либо по всей их поверхности. Недавно появившиеся высококачественные установки для очистки меди устраняют все эти проблемы.
Тщательно контролируемая химическая чистка – отличный метод подготовки медной поверхности с минимумом деформаций ламината. Чтобы эффективно использовать химический метод очистки нужно реализовать следующие цели:
-удаление загрязнения;
-удаление покрытий защищающих поверхность от окисления и потускнения;
-микротравление поверхности меди.
Загрязнения (отпечатки пальцев жировые следы пыль грязь и т. д.) сказываются на адгезии фоторезиста и проявляются при наращивании меди. Микротравление работает лучше когда на поверхности нет никаких других материалов и поверхность совершенно чиста. Помимо загрязнений нужно снять и удалить любые антиокислительные покрытия нанесенные изготовителем фольги или в ходе каких-то других предшествующих обработок.
Наиболее часто используемые ванны микротравления основаны на использовании персульфатов и перекиси с серной кислотой. Персульфат натрия и аммиак имеют то преимущество что они относительно дешевы и их можно использовать при температурах от комнатной до 45 °С. Однако их использование встречается с определенными трудностями в обеспечении стабильности ванны и в управлении скорости травления. Как уже указывалось выше для удаления следов сульфата меди с поверхности меди требуется выдержка изделий в ванне с серной кислотой. Кроме того есть свои проблемы со стоками персульфата. Ванны травления на основе перекиси и серной кислоты хотя и дают несколько более гладкий рельеф поверхности меди характеризуются более хорошим управлением скоростью травления меньшим количеством проблем со стоками но они работают при температурах выше комнатной в интервале 40 – 50 °С. Чтобы добиться предсказуемого и стабильного стравливания меди весьма важен контроль химического состава раствора. Приемлемый диапазон стравливания меди составляет от 005 до 01мкм. Обычный двухступенчатый процесс предусматривает струйную обработку в кислом растворе 10%-ной серной кислоты за которой следует персульфатное или пероксимоносульфатное микротравление.
Следующим технологическим этапом производства является формирование рисунка. Для гибких печатных плат в основном используют сухой пленочный фоторезист (СПФ) он является наиболее подходящим для обработки врастворителях полуводных и водных проявителях для технологий сгальваникой а также с технологией печать-травление.
Для нанесения СПФ на гибкий ламинат можно воспользоваться стандартной технологией ламинирования но некоторые методы работы будут отличаться от приемов используемых для жестких плат. Ламинатор должен обеспечивать горячее наслоение СПФ при условии тщательного подбора температуры валов скорости конвейера и подачи воздуха применительно кконкретному типу примененного фоторезиста и конструкции платы.
Нанести фоторезист на чистую сухую поверхность меди нужно в течение 4 часов с момента операции очистки иначе медь может окислиться и хорошего сцепления фоторезиста с медью уже не получить.
Необходимо обращаться с тонкими ламинатами очень осторожно чтобы не повредить и не деформировать их. Особенно осторожным нужно быть при подаче ламината на входные валки и при обрезке фоторезиста.
Чрезмерно высокая температура валков (выше 110 °С) может вызвать появление складок на таких ламинатах как одно- и двусторонний фольгированный диэлектрик с медью 35 мкм и полиимидная пленка 25 мкм.
Чтобы устранить деформирование тонких ламинатов можно воспользоваться следующими рекомендациями:
- снизить скорость валков;
- снизить температуру входного валка;
- применить прижимные валки с более толстой резиной (04 мм);
- обеспечить полную соосность валов;
- применить жесткий материал для подложки под гибкий материал;
- ламинировать каждую сторону отдельно;
- применить слегка профилированные валки (диаметр в центре на 025мм больше чем по краям).
Методы экспонирования гибкого ламината аналогичны тем которые применяют при работе с жесткими материалами. Экспонирующие установки сфиксированным источником света обеспечивают быстрое экспонирование свысокой степенью разрешения. При хорошем вакуумном контакте шаблона ссухим пленочным резистом вы увидите неподвижные кольца Ньютона на поверхности экспонируемой заготовки. Экспонирование фоторезиста должно происходить соответствии с рекомендациями поставщика. Размеры фотошаблона могут измениться при изменении температуры и относительной влажности. Этот эффект можно уменьшить создав контролируемые условия среды в рабочей зоне (например 21 ±1 °С и 50 ±5% относительной влажности).
Каждый производитель паяльных масок и фоторезистов указывает ряд оптимальных режимов экспонирования и обработки для конкретного материала и или снабжает подробной инструкцией для определения параметров рисунка.
Проявление рисунка на фоторезисте заготовки целесообразно проводить в проявителе с химическим составом соответствующим типу используемого резиста (водощелочное проявление проявление в растворителях и т. д.).
Наиболее подходящее оборудование для проявления фоторезиста – это специально сконструированные конвейерные линии обеспечивающие плавность и аккуратность транспортировки изделий. Обычные проявочные машины конвейерного типа тоже можно использовать для обработки гибких ламинатов. Необходимо только обращать внимание на то чтобы гибкий ламинат не попадал бы в зазоры между валками конвейерной системы и не наматывался бы на валки. Проблему можно решить прикрепив кусок жесткого материала к ведущей кромке гибкого ламината.
Следующим технологическим этапом производства является травление меди. Адгезив используемый для приклейки фольги к полиимидному основанию должен быть совместим с большинством коммерческих составов для травления меди в том числе на основе аммиачного комплекса хлорной меди кислого раствора хлорной меди и хлорного железа. Рисунок схемы формируется путем стравливания открытой меди. Травление ведется в струйных конвейерных линиях что не всегда возможно из-за гибкости заготовок. Нужно или применять специальные машины или загружать гибкие платы на конвейер травильной машины со специальными приспособлениями или травить в погружных ваннах с опрыскиванием. Для обеспечения хорошей воспроизводимости заданного рисунка необходимо принимать во внимание время травления чтобы и не недотравить ине перетравить рисунок а также травящую емкость раствора его температуру. Если машины травления не снабжены автоматической регенерацией раствора необходимо постоянно регулировать процесс ориентируясь на тест-элемент обязательно размещаемый на технологическом поле заготовки.
После травления следует тщательная промывка при температуре 18–27°С для удаления всех следов травильного раствора особенно на кромках и торцах заготовки. При последующем прессования покровной пленки под воздействием температуры любые остатки травящего состава могут вызвать потемнение иокраску схемы. При травлении проводников с высоким профилем в щелочных растворах иногда необходимо прибегнуть к нейтрализации травящего состава (например 1%-ной серной кислотой) чтобы удалить следы травителя сзаготовки. После травления нужно проверить критически важные размеры ибазовые отверстия полученной схемы сравнив заготовку с фотошаблоном чтобы убедиться что они не вышли за назначенные допуски.
Несоответствие размеров полученного изделия размерам фотошаблона может быть вызвано изменениями размеров фотошаблона под влиянием изменения условий окружающей среды или изменениями размеров тонкого ламината в ходе удаления меди. Эти явления можно несколько минимизировать если предусмотреть медную окантовку по периметру заготовки. Для односторонних двусторонних материалов рекомендуемая ширина такой сплошной окантовочной меди составляет от 127 до 50 мм.
Сильное подтравливание или локальные вытравливания наблюдаемые после травления обычно связаны с плохой адгезией фоторезиста.
Для воспроизведения тонкого и точного рисунка можно использовать полуаддитивную технологию когда проводники по тонкому проводящему слою гальванически наращиваются в рельефе фоторезиста (рисунок 8). Разница втолщинах меди на проводниках и в пробельных местах настолько велика что есть возможность осуществлять дифференциальное травление.
Рисунок 8 – Полуаддитивный метод воспроизведения тонкого рисунка[3]
Удалять фоторезист следует в ваннах погружением или на конвейерных установках растворами подходящими для используемого фоторезиста. Параметры времени обработки температуры и концентрации раствора следует задавать по рекомендациям поставщика фоторезиста.
Удаление фоторезиста в водно-щелочной среде является довольно распространённым методом. Водно-щелочные растворы для снятия фоторезиста зачастую представляют собой 1–3%-ный водный раствор щелочи (едкий натр или калий). Во избежание химического разрушения адгезива концентрация щелочи врастворе не должна превышать 5% а температура обработки – 60 °С.
Все химические составы для снятия фоторезиста следует использовать осторожно и с тщательным контролем не допуская набухания (вздутия) адгезива или деформации ламината.
Полуводные растворы для удаления фоторезиста обычно содержат фирменную химию представляющую собой комбинацию щелочей (едкий натр едкий калий) аминов иили высококипящих растворителей (например бутилкарбитол). Ванну обычно готовят залив 20–30% воды по объему и работают при температуре 45–60 °С. Время в ванне составляет 2–5 минут.
Все такие ванны надо предварительно опробовать на совместимость садгезивом поскольку такая химия в основном разрабатывалась для стеклоэпоксидных материалов. Агрессивные растворы с содержанием сильной органики и щелочей могут вызвать набухание адгезива или повлиять на сам полиимид. Абсорбированный раствор может впоследствии вызвать термическое расслоение при прессовке покровного слоя или при пайке.
Следующим технологическим этапом производства является очистка поверхности меди перед нанесением покровного слоя. На этой стадии процесса рекомендуется применять химические методы очистки. Количество меди снятое с ламината входе травления изделия напрямую связано с вероятностью возникновения механических деформаций. Для очистки можно использовать химический метод описанный ранее.
Далее в технологическом производстве следует процесс нанесения покровного слоя. Он выполняет функцию защиты рисунка проводников. Вместе с тем при правильном подборе его толщины он позволяет симметрировать медный рисунок так что при изгибе он будет находиться на нейтральной линии и испытывать минимальные изгибные напряжения (рисунок9).
Рисунок 9 – Нанесение покровной пленки[3]
Для доступа к монтажным поверхностям покровная пленка должна иметь перфорации. Обычно их выполняют сверлением или выштамповкой. Если производство специализировано под изготовление гибких шлейфов без металлизации отверстий возможен вариант с использованием только химических операций включая вытравливание в покровной пленке окон до медной поверхности. Травление отверстий в полиимидной пленке в горячих щелочах в отличие от сверления – групповой процесс который становится особенно рентабельным когда количество отверстий на заготовке превышает несколько тысяч.
В курсовом проекте были рассмотрены типы материалы и технологии производства гибких печатных плат. На основании данной работы можно подобрать наиболее подходящий материал и технологию изготовления гибких плат для кристаллодержателя.
Полиимидная пленка является наиболее подходящей для основного материала так как она обладает рядом преимуществ: отличная гибкость при любой температуре хорошие электрические характеристики отличная стойкость к воздействию химических реагентов (за исключением горячих растворов щелочей) очень хорошее сопротивление разрыву наивысшая прочность при растяжении.
Помимо базовых материалов в конструкции применятся медная катаная фольга она является проводящим слоем. Катаная фольга является самым распространенным типом медной фольги для гибких плат и благодаря своей структуре зерна обычно обеспечивает отличную долговременную стойкость к изгибам.
Связующем материалом является эпоксидный клей который обладает хорошими высокотемпературными свойствами и обеспечивают лучшие значения прочности на отрыв после термоудара.
На основание выбранных материалов подходящей заготовкой является фольгированный полиимид ПФ-1-35-100 который представляет собой композиционный материал состоящий из полиимидной пленки эпоксидного клея и облицованный с одной стороны медной фольгой.
Для создания кристаллодержателя для БИС модификации 2 необходимо использовать субтрактивную технологию.
Список используемых источников
Акулин А.И. Гибкие и гибко-жесткие печатные платы. Комментарии к стандарту IPC 2223А Электронные компоненты. 2005. №10.
Медведев А.М. Материалы для гибких печатных плат Технологии в электронной промышленности. 2011. № 3 с 12-19.
Люлина В.В. Производство гибких и гибко-жестких печатных плат. Производство гибких плат без металлизированных отверстий Технологии в производстве электроники. Часть 1. 2008. №3
А.М. Медведев и Г.В. Мылова. Гибкие печатные платы Технологии в производстве электроники. Часть 3. –М.: «Группа ИДТ» 2008.
Печатные платы. Справочник. В 2-х книгах под ред. К. Ф. Кубза. М.: Техносфера 2011. 1016 с.