lec13 Технологические операции изгот ПП (Лекции проф Давыдова УГГИ)

15

КОНСТРУИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

Development and creation of geophysical instruments. Technology of making of the printed boards

Тема 13: ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПП

Боги прощают нам наши ошибки, люди – нет.

Наблюдение древних греков.

Хотел бы я посмотреть на греческих богов после их знакомства с современными творениями рук человеческих и методами ремонта аппаратуры в поле кулаком и матом. От их снисходительности и следа не останется.

Владимир Кузьмин. Новосибирский геофизик Уральской школы.

Содержание:

1. Механические операции. Механическая обработка ПП. Подготовительные операции.

2. Формирование токопроводящих элементов ПП. Технология металлизации. Активация поверхностей диэлектриков. Гальваническая металлизация. Формирование рисунка печатных плат. Травление меди с пробельных мест. Особенности изготовления МПП. Покрытия и маски для наружных слоев ПП. Контроль и испытания плат.

Основу модулей первого уровня РЭА составляет оригинальная деталь - коммутационная подложка, на которой устанавливаются компоненты и которая обеспечивает электрическое соединение между компонентами в соответствии с электрической схемой. В общем случае подложка представляет собой диэлектрическое основание и рисунок в виде металлических пленочных проводников, называемых печатными. Отсюда распространенное название таких плат - печатные платы (ПП). Различают следующие типы ПП: односторонние, двусторонние, многослойные и гибкие.

13.1. механические операции [3]

Механическая обработка ПП включает раскрой листового мате­риала на полосы, получение из них заготовок, выполнение фикси­рующих, технологических, переходных и монтажных отверстий, получение чистового контура ПП. Размеры заготовок определя­ются требованиями чертежа и наличием по всему периметру технологического поля, на котором выполняются фиксирующие отверстия для базирования деталей в процессе изготовления и тестовые элементы. При прессовании МПП на технологическом поле образуется зона некачественной пропрессовки пакета, кото­рая удаляется при обработке контура. Ширина технологического поля не превышает 10 мм для ОПП и ДПП и 20-30 мм для МПП. Малогабаритные платы размером до 100 мм размещают на групповой заготовке площадью не менее 0,05 м² с расстоянием 5-10 мм между ними.

Выбор метода получения заготовок определяется типом про­изводства. В крупносерийном и массовом производстве раскрой листового материала осуществляют штамповкой на кривошипных или эксцентриковых прессах с одновременной пробивкой фикси­рующих отверстий на технологическом поле. Для уменьшения вероятности образования трещин, сколов, расслоений и повышения точности обрабатываемый материал прижимают к плоскости матри­цы фольгированной стороной. Вырубку в штампах производят как в холодном, так и в нагретом до 80-100 °С состоянии материала. Прогревают материал при получения сложного контура ПП и его толщине свыше 2 мм.

Заготовки ПП в единичном и мелкосерийном производстве получают разрезкой на одно- и многоножевых роликовых или гильотинных ножницах. Применяемые ножи должны быть уста­новлены параллельно друг другу с минимальным зазором 0,01-0,03 мм по всей длине реза.

Фиксирующие отверстия диаметром 4-6 мм выполняют штамповкой или сверлением с высокой точностью (0,01-0,05 мм). Для сверления используют универсальные станки, в ко­торых точность достигается применением кондукторов, или спе­циальное полуавтоматическое оборудование, которое в одном цикле с обработкой пакета заготовок предусматривает пневмати­ческую установку штифтов, фиксирующих пакет. Сверление ведут спиральными сверлами из быстрорежущей стали или твердых сплавов при скорости 30-50 м/мин и подаче 0,03-0,07 мм/об. Биение сверла при обработке не должно превышать 0,03 мм. Повышение точности сверления фиксирующих отверстий достигается их развертывани­ем при скорости 10-30 м/мин и ручной подаче инструмента.

Аналогичными методами выполняют и технологические отвер­стия, которые используют для предотвращения смещения загото­вок слоев МПП в процессе прессования, но к точности их обра­ботки не предъявляются такие жесткие требования, как к точно­сти обработки фиксирующих отверстий, по которым идет совме­щение заготовок с фотошаблонами и отдельных слоев в пакете.

Монтажные и переходные отверстия получают также штам­повкой и сверлением. Пробивку отверстий на универсальных или специальных штампах применяют в тех случаях, когда отверстие в дальнейшем не подвергается металлизации и его диаметр не менее 1 мм. При пробивке отверстий в односторонних фольгированных диэлектриках применяют штампы с увеличенным зазором между пуансоном и матрицей, обеспечивающим затягивание фольги в отверстие, чем достигается его частичная металлизация. Максимальная глубина затягивания фольги в отверстия диаметром 1-1,3 мм достигается при тех­нологическом зазоре 0,4+0,2 мм. Если плата имеет высокую плотность монтажа, большое количество отверстий и малый шаг координатной сетки, то применяют последовательную пробивку на нескольких штам­пах. Применение универсальных штампов, в которых необходи­мое количество отдельных пуансонов набирается в специальном трафарете, делает процесс штамповки экономичным в условиях мелкосерийного производства.

Металлизированные монтажные и переходные отверстия обра­батывают с высокой точностью на специализированных одно- и многошпиндельных сверлильных станках с ЧПУ. Эти станки име­ют координатный стол с автоматической системой позициониро­вания, сверлильные шпиндели с бесступенчатым регулированием скорости и систему ЧПУ позиционного типа. В зависимости от размеров обрабатываемых плат и требуемой производительности станки можно оснастить различным числом шпиндельных головок. Каж­дый шпиндель имеет независимый привод скоростей, в связи с чем за одну установку и по одной общей программе могут обрабаты­ваться отверстия разных диаметров.

Для обработки металлизированных отверстий используются специальные спиральные сверла из металлокерамических твер­дых сплавов. Их стойкость при обработке фольгированных стеклотекстолитов составляет 3000-7000 тыс. от­верстий, при наличии лакового покрытия на ПП стойкость инстру­мента уменьшается в 2—3 раза. Номинальное значение диаметра сверла следует выбирать исходя из зависимости

d_св = d + 0.7(₁+₂),

где d - номинальный диаметр отверстия, мм; ₁ - допуск на этот диаметр, мм; ₂ - допустимое уменьшение диаметра обрабаты­ваемого отверстия после охлаждения слоистых пластиков, мм.

Повышение температуры в зоне обработки при сверлении слоистых пластиков приводит к наволакиванию размягченной смолы на кромки контактных площадок, препятствующему по­следующей металлизации отверстий. Для устранения этого недо­статка предлагается ряд усовершенствований: применение охлаж­дающих агентов, не содержащих смазок (вода, водяной туман, очищенный сжатый воздух и т. п.); двойное сверление; наложе­ние на поверхность платы алюминиевых листов; разработка сверл с дополнительными режущими кромками, на­правленными в сторону, противоположную основным, и т. п. Однако все перечисленные способы оказываются малоэффективными в условиях массового производства. Предлагаемый фирмой IBM (США) процесс лазерного фрезерования хотя и устраняет наволакивание смолы на торцы контактных площадок, но не исклю­чает ее стеклование на поверхности стенок отверстия. Наиболее эффективным средством устранения наволакивания признана по­следующая гидроабразивная очистка.

Чистовой контур ПП получают штамповкой, отрезкой на гиль­отинных ножницах или на специальных станках с прецизионными алмазными пилами, фрезерованием. Повышение производительности фрезерных ра­бот достигается групповой обработкой пакета ПП толщиной 10-30 мм. Для исключения повреждения их поверхностей между отдельными заготовками прокладывают картон, а пакет помеща­ют между прокладками из листового гетинакса.

В последнее время для чистовой обработки все большее рас­пространение получают контурно-фрезерные многошпиндельные станки с ЧПУ, которые обеспечивают хорошее качество кромок ПП и точность размеров в пределах ±0,025 мм, позволяют обра­батывать внешние и внутренние контуры за одно крепление, ха­рактеризуются высокой производительностью (1500-2000 плат/ч) и надежностью. Они снабжены устройствами для автоматической смены фрез, защитными скафандрами для ограждения оператора от шума, пыли и стружки при обработке, бесступенчатым регули­рованием частоты вращения инструмента в диапазоне 15-60 тыс/мин.

Подготовительные операции предназначены для обеспечения качества при выполнении основных процессов формирования эле­ментов печатного монтажа. Они включают очистку исходных ма­териалов и монтажных отверстий от окислов, жировых пятен, смазки, пленок и других загрязнений, активирование поверхностей проводящего рисунка, специальную обработку диэлектриков, а также контроль качества подготовки. В зависимости от характера и степени загрязнений очистку (активирование) проводят механи­ческими, химическими, электрохимическими, плазменными метода­ми и их сочетанием.

Механическая подготовка в условиях мелкосерийного произ­водства осуществляется вручную смесью венской извести и шлиф-порошка под струей воды. Экономически оправдано применение ме­ханизированных и автоматических конвейерных линий в условиях крупносерийного и массового производства. Инструментом на этих линиях служат абразивные круги, капроновые или нейлоновые щетки, на которые подается абразивная суспензия. В некоторых зарубежных установках для зачистки используются круги из не­тканого нейлона, насыщенные мелкодисперсным порошком карбо­рунда или алунда, которые для устранения перегрева обильно смачивают водой. Для очистки монтажных отверстий от наволакивания смолы и других загрязнений широко применя­ются установки гидроабразивной об­работки, в которых платы со скоростью 0,2-0,4 м/мин прохо­дят рабочую, промывную и сушиль­ную камеры установки. В рабочей камере через инжекторные форсунки, качающиеся вокруг оси с частотой 35-100 циклов в минуту, под давлением 0,5-0,7 МПа подается пульпа, состоящая из абразивного порошка и воды. Подача воды под давлением 1-1,2 МПа обеспечивает тщательную про­мывку отверстий в следующей камере. Сушка заготовок осуще­ствляется сжатым воздухом.

Химическая и электрохимическая подготовка поверхно­сти проводится в ваннах с различными растворами при покачива­нии плат и последующей их промывкой, а механизированная - на автооператорных линиях модульного типа по заданной прог­рамме.

Высокое качество и производительность обеспечивает плазмен­ная очистка ПП, которая устраняет использование токсичных кис­лот, щелочей и их вредное воздействие на обслуживающий персо­нал, материалы обработки и окружающую среду. Установки плазмохимической обработки состоят из реактора, мощного ВЧ-генератора, устройства уп­равления и регулирования процессов, вакуумного насоса. Плазмообразующий газ, состоящий из кислорода (70%) и тетрафторметана (30%), подается в камеру со скоростью 600-900 см³/мин. Мощность ВЧ-генератора регулируется в диапазоне 0-4000 Вт, а частота составляет 13,56 МГц. На установке одновременно обрабатывается до 15 плат размером 45х60 см, каждая из которых имеет до 3000 отверстий. Длитель­ность операции очистки пакета— 10... 16 мин.

Специальная обработка диэлектрического материала при изго­товлении МПП или ПП аддитивными методами заключается в его подтравливании и придании шероховатости для увеличения проч­ности сцепления с металлизацией. Подтравливание диэлектрика проводится последовательной обработкой сначала в серной кисло­те, а затем в плавиковой или в их смеси (5:1) при температуре 50-60°С. Серная кислота образует с эпоксидной смолой слож­ный, растворимый в воде, сульфированный полимер, а обнажив­шееся стекловолокно вступает в реакцию с плавиковой кислотой. Скорость травления составляет 40-80 мкм/мин. После обработки платы нейтрализуют в растворе щелочей и тщательно промывают.

Увеличение шероховатости диэлектрических поверхностей и клеевых композиций достига­ется механической (гидроабразивной) или химической обработ­кой.

Контроль качества подготовки металлических поверхностей за­готовок ПП оценивают по полноте смачивания их водой. Состоя­ние диэлектрических поверхностей проверяют микроскопическими исследованиями, измерением высоты микронеровностей, проведе­нием пробной металлизации и оценкой ее прочности сцепления с основанием. Объективным показателем качества является также проверка сопротивления изоляции после пребывания в камере влажности.