Методи проектування монтажних плат

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Тернопільський національний технічний університет

імені Івана Пулюя

Кафедра комп'ютерних систем та мереж

Реферат на тему:

«Методи проектування монтажних плат»

Виконав:

студент групи РМм-51

Грицюк В.В.

Перевірив:

ДедівЛ.Є.

Тернопіль 2014

Донедавна ми обходилися досить простими 4-х і 6-ти шаровими платами. За рахунок порівнянної простоти плат, структура плати не проектувалася. На даний момент внаслідок застосування більш складних комплектуючих, а також необхідності використання ПЛІС в корпусах BGA з великою кількістю висновків, постало завдання проектування плат з кількістю шарів 12 і більше.

Правильний вибір матеріалів, технологічних процесів і елементної бази при розробці сучасних друкованих плат визначає рівень працездатності і надійності електронного пристрою в цілому. При цьому необхідно враховувати наступні аспекти:

§ Призначення електронної системи: технічні умови на виріб, очікуваний робочий ресурс, елементна база з характеристиками по швидкодії, вихідному опору, рівню робочих сигналів, напрузі живлення і т.п.

§ Експлуатаційні вимоги: можливість профілактики та ремонту.

§ Умови оточуючого середовища в умовах зберігання та експлуатації.

§ Технологія виготовлення: сумісність з діючим виробництвом, ступінь і характер механізації та автоматизації при заданому обсязі виробництва.

§ Базові та допоміжні матеріали: обсяг можливих поставок, необхідність відбору матеріалів за спеціальними вимогами.

Щоб уникнути проблем, що виникають при виготовленні багатошарових друкованих плат, а також визначити причини, що породжують ці проблеми, необхідно чітке розуміння сутності технологічного процесу виготовлення друкованої плати ще на етапі проектування. Крім цього, слід враховувати властивості матеріалів, з яких виготовляється плата, так як від них безпосередньо залежить її якість. Всі методи виробництва друкованих плат можна розташувати в наступній послідовності (за зростанням щільності друкованого монтажу) [1]:

- односторонні друковані плати (ОПП);

- двосторонні друковані плати (ДПП) комбінованим позитивним методом;

- ДПП напівадитивним методом;

- ДПП напівадитивним методом з диференціальним травленням;

- багатошарові друковані плати (МПП) методом попарного пресування;

- МПП методом металізації наскрізних отворів;

- МПП методом пошарового нарощування;

- МПП комбінацією методів металізації наскрізних отворів і пошарового нарощування.

Основною відмінністю, що характеризує можливості того чи іншого методу, можна вважати реалізовану їм щільність з'єднань. При цьому необхідно мати на увазі можливе і допустиме число монтажних точок на одиницю площі поверхні плати. Найчастіше на практиці обмеження щільності монтажу обумовлено розмірами елементів і спеціальними вимогами до електричних параметрах друкованих зв'язків.

Хімічний субтрактивний метод

- Застосовується при виробництві одношарових друкованих плат, а також при виготовленні внутрішніх шарів МПП (виконаних методами металізації наскрізних отворів і пошарового нарощування). Власне з цього методу і починалася індустрія друкованих плат. В якості вихідного матеріалу використовуються фольговані міддю ізоляційні матеріали. Після перенесення малюнка друкованих провідників (у вигляді плівки, стійкої до розчинів травлення) на фольгированную основу не захищені від неї місця хімічно видаляються - стравлюють. Звідси і назва методу. Захисну плівку наносять поліграфічними методами: фотолітографія (захисна плівка формується з фоторезисту - матеріалу, очувствляемого через фотокопію друкованого малюнка - фотошаблон), трафаретний друк (використовується спеціальна, хімічно стійка фарба) та ін. [2].

Етапи стандартного субтрактивного методу:

- вирубка заготовки;

- свердління отворів (застосовується тільки при виготовленні ОПП, при виготовленні заготовок внутрішніх шарів МПП ця технологічна операція відсутня);

- підготовка поверхні фольги (дезоксидації), усунення задирок (тільки для ОПП);

- трафаретне нанесення фарби (для ОПП) або нанесення і прояв фоторезисту (при виготовленні внутрішніх шарів МПП), що закривають ділянки фольги, що не підлягають витравлювання;

- травлення плати;

- відмивання та сушка плати;

- нанесення паяльної маски (тільки для ОПП);

- гаряче облуговування або нанесення альтернативного типу фінішного покриття [3] (тільки для ОПП);

- нанесення маркування (тільки для ОПП);

- контроль.

Головні фрагменти субтрактивной технології показані на рис.1.

друкований плата виробництво

Рис. 1. Послідовність операцій при субтрактивній технології виготовлення плат: a) експонування фоторезисту (3) через фотошаблон-негатив (1) і захисну плівку (2); b) малюнок з фоторезисту проявлений і здатний захистити фольгу (4) від травлення; c) малюнок з фольги витравлений; d) фоторезист видалений - на підставі ПП (5) залишився малюнок провідників

Переваги субтрактивного методу:

- можливість повної автоматизації процесу;

- висока продуктивність;

- низька собівартість.

Недоліки субтрактивного методу:

- внаслідок необхідності стравлювання фольги порівняно великої товщини утворюються великі подтрави, що унеможливлює виготовлення плат по високому класу точності (з малими значеннями зазорів між елементами друкованого провідника і малою шириною провідників). Тому для виготовлення внутрішніх шарів МПП застосовується більш тонка фольга - від 18 мкм і менше. При її стравлюванні утворюються подтрави меншої величини, що підвищує клас точності;

- необхідність використання фольгованих матеріалів, які дорожче, ніж нефольгірованние;

- необхідність видалення дорогої міді;

- через утворення великих обсягів відпрацьованих травильних розчинів виникають додаткові проблеми з їх регенерацією, утилізацією і т.д.

Комбінований позитивний метод (полуаддітівний метод)

- Застосуються при виробництві ДПП, а також при виготовленні внутрішніх шарів МПП, виконаних методом попарного пресування. За своєю суттю комбіновані способи виготовлення плат відносяться до напівадитианих. Як і при субтрактивному методі, для виготовлення плат по напівадитивній технології використовуються фольговані діелектрики. Однак є суттєва різниця: при виробництві напівадитивним методом товщина застосовуваної фольги значно менше. У сучасних технологічних процесах виготовлення МПП із застосуванням напівадитивних методів використовується фольга товщиною 18 мкм, 12 мкм, 9 мкм і 5 мкм. Подальше формування малюнка провідників відбувається, як і при адитивних методах, шляхом гальванічного осадження міді з застосуванням фотошаблонів.

Етапи комбінованого позитивного методу:

- нарізка технологічних заготовок;

- очищення поверхні фольги (дезоксидації);

- свердління отворів (що підлягають металізації) на верстатах з ЧПУ (ця технологічна операція застосовується тільки при виготовленні ДПП і заготовок внутрішніх шарів МПП, виконаних за методом попарного пресування з прихованими перехідними отворами);

- активація поверхні під хімічну металлизацию;

- тонка хімічна металізація (до 1 мкм) або палладирование при використанні технологічного процесу прямої металізації отворів (тільки для ДПП і заготовок внутрішніх шарів МПП з прихованими перехідними отворами);

- попередня тонка гальванічна металізація (до 6 мкм) - "гальванічна затяжка";

- нанесення й експонування фоторезисту через фотошаблон-позитив; - основна гальванічна металізація (до 25 мкм товщини міді всередині отворів);

- нанесення металлорезіста;

- видалення експонованого фоторезисту;

- травлення оголених ділянок тонкої фольги між елементами друкованого малюнка;

- видалення металлорезіста;

- нанесення контактних покриттів на кінцеві друковані ламелі (тільки при виготовленні ДПП);

- відмивання плати (заготовки МПП), сушка; - нанесення паяльної маски (тільки для ДПП);

- нанесення фінішного покриття на контактні площадки [3] (тільки для ДПП);

- нанесення маркування (тільки для ДПП);

- обрізка плати по контуру (тільки для ДПП);

- електричне тестування, контроль.

Головні фрагменти комбінованого позитивного способу показані на рис.2.

Рис. 2. Послідовність операцій при комбінованому позитивному способі виготовлення плат: a) експонування фоторезисту (3) через фотошаблон-позитив (1) і захисну плівку (2); b) малюнок з фоторезисту виявлений, на пробільні ділянки обложена гальванічна мідь (7); c) поверх гальванічної міді завдано металлорезіста (6); d) фоторезист видалений, залишився металлорезіста, який захистить малюнок топології від травлення; e) малюнок витравлений; f) металлорезіста видалений - на підставі ПП (5) залишився малюнок провідників

Переваги комбінованого позитивного методу:

- можливість створення елементів друкованого малюнка з високою точністю. При використанні фольги товщиною 9 мкм досяжна ступінь дозволу провідників і зазорів між ними - 75 мкм;

- практично на всіх етапах техпроцесу фольга захищає діелектричне підставу від впливу технологічних розчинів. Цим досягається висока якість поверхні діелектрика і, як наслідок, висока надійність ізоляції;

- хороша адгезія (міцність зчеплення) елементів друкованого малюнка і діелектричного підстави плати.

Недоліки комбінованого позитивного методу:

- наявність операцій травлення призводить до виникнення бокового подтрава провідників. Це обмежує роздільну здатність процесу. При використанні фольги товщиною 18 мкм і більше забезпечення зазорів і ширин провідників на рівні 100 мкм вже може бути проблематичним, оскільки утрудняє виготовлення ультрасложних плат (плати HDI - надвисокої щільності розміщення елементів друкованого малюнка);

- травлення малюнка по металлорезіста обмежує свободу вибору травяна розчинів, що тягне за собою зростання вартості виготовлення в порівнянні з застосуванням типових субтрактівних методів;

- після завершення травлення заготовок МПП необхідно видаляти металлорезіста, що веде до збільшення витрат на виготовлення.

Для МПП в основному використовуються методи металізації наскрізних отворів. Метод попарного пресування поступився у свій час першість зважаючи нижчою гнучкості і неможливості використання при створенні плат з дуже високим класом точності. Часто метод попарного пресування застосовується для виготовлення внутрішніх шарів складних МПП з прихованими перехідними отворами, розташованими всередині структури плат. Метод пошарового нарощування часто застосовується в комбінації з методом металізації наскрізних отворів (для створення складних МПП зі сліпими перехідними отворами (плати HDI).

Метод попарного пресувания друкованих плат

- Заснований на виконанні міжшарових з'єднань за допомогою металізації отворів, як і для звичайних двошарових плат. Для цього застосовується напівадитивний метод виготовлення заготовок (або, як частіше називають, - ядер), з яких надалі і збирається пакет многослойкі. Найпростіша структура МПП, реалізована таким методом, показана на рис.3.

Етапи методу попарного пресування:

- за допомогою комбінованого позитивного способу формуються майбутні ядра МПП. Методика виготовлення описана вище. Відмінність полягає лише в тому, що для майбутніх зовнішніх шарів малюнок топології НЕ виготовляється - фольга залишається цілою. Ці шари будуть виготовлені на завершальних стадіях, після етапу пресування заготовки плати;



Рис. 3. Найпростіший варіант структури МПП попарного пресування: 1 - перехідне металізоване отвір між зовнішнім і внутрішнім шаром; 2 - наскрізне металізоване отвір; 3 - провідник зовнішнього шару; 4 - провідник внутрішнього шару.

- заготовки (ядра) з готовими внутрішніми шарами спресовуються. При пресуванні між ядрами розміщуються шари прокладочной склотканини, просоченої епоксидною смолою (така тканина називається Препреги). Видавлені при пресуванні смола заповнює перехідні отвори, захищаючи їх мідне гальванопокриття від хімічного впливу при наступних технологічних операціях;

- свердління крізних отворів (що підлягають металізації) на верстатах з ЧПУ;

- активація, тонка хімічна металізація і гальванічна затяжка - як і для ДПП при комбінованому позитивному способі, але вже стосовно для заготівлі МПП;

- нанесення й експонування фоторезисту через фотошаблон для виготовлення зовнішніх шарів;

- основна гальванічна металізація;

- нанесення металлорезисту;

- видалення експонованого фоторезисту;

- травлення оголених ділянок тонкої фольги між елементами друкованого малюнка зовнішніх шарів;

- видалення металлорезисту;

- відмивання плати, сушка;

- нанесення паяльної маски;

- нанесення фінішного покриття на контактні площадки;

- нанесення маркування;

- обрізка плати по контуру;

- електричне тестування, контроль.

Недоліки методу попарного пресування:

- одним з головних недоліків такого методу є необхідність двічі осаджувати на зовнішніх шарах МПП гальванічну мідь: спочатку при металізації перехідних отворів ядер, потім при металізації наскрізних металізованих отворів. Тому товщина міді зовнішніх шарів може досягати в окремих випадках значень 130-160 мкм (типове значення - 70-100 мкм). Це різко знижує роздільну здатність малюнка на зовнішніх шарах МПП (внаслідок значних бічних подтравов провідників). Крім того, нерівномірність товщини гальванічної міді по площині плати не забезпечує достатньої якості і щільності друкованого малюнка;

- при нанесенні паяльної маски і захисних лакових покриттів створюються труднощі в забезпеченні якості такого покриття - лаки стікають з високих провідників, оголюючи їх гострі кромки. Це призводить до необхідності використання (в якості паяльних масок) спеціальних матеріалів, які не дають високої точності при формуванні малюнка маски;

- для забезпечення якості металізації міжшарових переходів та їх високої надійності необхідно забезпечити достатню жорсткість заготовок (ядер). Ця обставина не дозволяє використовувати (при такому методі виготовлення МПП) тонкі ядра, що тягне різке збільшення товщини МПП при великій кількості шарів, або обмежує кількість шарів до 4-6 при необхідності забезпечення товщини плати 1,5-2,0 мм. Така кількість шарів не завжди дозволяє отримати необхідну щільність топології;

- для заповнення пробільних місць в рельєфі друкованого малюнка (між сусідніми шарами МПП) при високій товщині міді провідників потрібно значна кількість смоли. Ця обставина призводить до необхідності використання кількох досить товстих шарів прокладочной склотканини (препрегів), що також призведе до збільшення сумарної товщини МПП;

- при комбінуванні використовується два різних технологічних методу: гальванічне осадження міді і травлення залишків мідної фольги між провідниками. При цьому збільшується вартість техпроцесу, а також з'являються додаткові витрати на підтримку розчинів, які беруть участь у техпроцесах;

- для нарощування гальванічної міді потрібний великий час - кілька годин. Це подовжує весь техпроцес в цілому і погано стикується з часом, необхідним на підбурювання міді (кілька хвилин - при використанні вертикального обладнання із струменевим травленням).

Переваги методу попарного пресування:

- відносна простота реалізації, оскільки він заснований на звичайній технології металізації отворів двосторонніх плат, добре освоєної в промисловості;

- висока швидкість виготовлення плат, оскільки всі заготовки (ядра) можуть виготовлятися одночасно в одному технологічному циклі;

- низька чутливість до шлюбу і огріхів виготовлення окремих ядер. Це значно збільшує вихід придатної продукції і, як наслідок, здешевлює вартість МПП.

Метод попарного пресування широко поширений на підприємствах, що спеціалізуються на двошарових і нескладних багатошарових платах. Саме цей метод застосовується на переважній більшості вітчизняних підприємств.

Метод пошарового нарощування

- Полягає в послідовному чергуванні шарів ізоляційного матеріалу (препрегу) і провідникового шару. З'єднання між провідними елементами сусідніх друкованих шарів проводиться гальванічним нарощуванням міді в отворах ізоляційного шару. Приклад структури МПП, реалізованої цим методом, показаний на рис.4.



Рис. 4. Варіант структури МПП пошарового нарощування: 1 - наскрізне перехідний металізоване отвір між зовнішніми шарами; 2 - монтажна контактна площадка; 3 - компонент з планарних висновками; 4 - основа (ядро МПП); 5 - провідники внутрішніх шарів; 6 - міжшарові переходи (металізовані стовпчики); 7 - провідники зовнішніх шарів

Етапи методу пошарового нарощування:

- за допомогою субтрактивного методу формуються майбутнє ядро - основа МПП, (формуються шари двох перших внутрішніх шарів МПП з малюнком друкованих провідників і майданчиків);

- поверх ядра з обох боків наноситься необхідну кількість шарів препрегу;

- поверх препрегу наноситься фольга;

- заготівля піддається технологічної операції пресування;

- за допомогою механічного свердління (з контролем глибини сверловки), лазерного або плазмового пропалювання формуються отвори - основа мікропереходов між зовнішніми і найближчими внутрішніми шарами заготовки;

- активація, тонка хімічна металізація і гальванічна затяжка, як і для ДПП при комбінованому позитивному способі;

- нанесення й експонування фоторезисту через фотошаблон для виготовлення зовнішніх шарів;

- основна гальванічна металізація (відмінність від класичного полуаддітівного методу - велика товщина міді для повного заповнення порожнин отворів мікропереходов);

- нанесення металлорезіста;

- видалення експонованого фоторезисту;

- травлення оголених ділянок тонкої фольги між елементами друкованого малюнка зовнішніх шарів;

- видалення металлорезіста;

- механічне і хімічне очищення, вирівнювання і планарізація поверхні обложеної міді (особлива увага приділяється областям міжшарових переходів - в цих місцях не повинно бути напливів міді);

- відмивання заготовки, сушка;

- електричне тестування, контроль отриманої заготовки;

- далі знову наноситься необхідну кількість шарів препрегу, мідної фольги, і всі технологічні операції повторюються;

- при формуванні зовнішніх шарів МПП після пресування заготовки проводиться свердління крізних отворів (що підлягають металізації) на верстатах з ЧПУ;

- далі знову повторюється ряд технологічних операцій з гальванічною металізації і труїть залишків міді між елементами русунка;

- нанесення паяльної маски;

- нанесення фінішного покриття на контактні площадки;

- нанесення маркування;

- обрізка плати по контуру;

- електричне тестування, контроль всієї плати.

Основною перевагою даного методу виготовлення МПП є виключно висока щільність розміщення провідників у всіх шарах друкованої плати і дуже висока щільність монтажу. Це досягається внаслідок можливості виконання міжшарових переходів в будь-якій точці плати, незалежно від трасування та розташування міжшарових з'єднань будь-яких суміжних шарів.

Недоліки методу пошарового нарощування:

- обмежена кількість шарів МПП. Як правило, не можна робити операцію пресування більше п'яти разів, тому кількість шарів такий МПП буде не більше дванадцяти. Це пов'язано з тією обставиною, що при кожному наступному пресуванні нового шару діелектрик внутрішніх шарів (з уже сформованою структурою) піддається тепловому стресу і великим механічним навантаженням. З кожним новим пресуванням відбувається порушення вже сформувалася структури полимеризованной раніше смоли внутрішніх шарів. Таким чином, при нарощуванні нових шарів відбувається старіння і деградація внутрішніх шарів, що обмежує слойность плати і зменшує її надійність в цілому;

- при комбінованих методах, використовуваних для виготовлення шарів при пошаровому нарощуванні МПП, використовується два різних технологічних методу: гальванічне осадження міді і травлення залишків міді між провідниками. Слід звернути увагу, що товщина осаждаемой міді досить значна (не менше 35мкм) для забезпечення заповнення отворів міжшарових переходів. Ці обставини впливають на зростання вартості техпроцесу і призводять до додаткових витрат на підтримання розчинів, які беруть участь у техпроцесах;

- для нарощування гальванічної міді потрібний великий час - кілька годин, що робить техпроцес виготовлення кожної нової пари шарів досить тривалим. Так як нарощування нових шарів відбувається послідовно (тільки після повного завершення техпроцесу виготовлення попередньої пари шарів), то повний цикл виготовлення МПП за цим методом займає дуже великий час;

- при виникненні дефектів виготовлення наступних шарів вся отримана заготівля йде в шлюб. Це значно знижує вихід придатної продукції і, як наслідок, призводить до подорожчання придатних плат;

- особливості гальванічного осадження міді в товстих шарах призводять до необхідності ретельного очищення технологічних розчинів та електролітів протягом усього техпроцесу виготовлення. Для забезпечення постійних умов такої металізації необхідно більш часто проводити хімічний аналіз, коригування та очистку робочих розчинів.

Складність пошарового нарощування (в поєднанні з високою реалізованої щільністю топології друкованого малюнка і монтажу) визначили цей метод в основному для виготовлення ультрасложних МПП в дослідному виробництві з високою технологічною культурою. Впровадження його у серійне виробництво зустрічає безліч труднощів, через що можливо виконати тільки досвідчені зразки і дуже малі серії плат. З цих причин застосування методу пошарового нарощування, зважаючи наявних обмежень і високої вартості МПП, виправдано тільки для виготовлення унікальної апаратури з високою надійністю.

Метод металізації наскрізних отворів

- У загальних рисах мало відрізняється від методу попарного пресування, але має ряд істотних відмінностей в деталях. Так само, як і при методі попарного пресування, виготовляються ядра, на яких виконаний проводить малюнок майбутніх внутрішніх шарів МПП. Однак спосіб виготовлення ядер чисто субтрактивний, міжшарові мікропереходи між шарами (належать одному ядру) не виготовляються. Після пресування заготовки МПП з ядер виконується: сверловка крізних отворів, гальванічне осадження міді і виготовлення топології зовнішніх шарів МПП із застосуванням комбінованого позитивного метода.Тіпічная структура МПП, виготовлена методом металізації наскрізних отворів, показана на рис.5.

Етапи виготовлення МПП методом металізації наскрізних отворів:

- вирубка заготовок ядер МПП з фольгованого діелектрика;

- підготовка поверхні фольги (дезоксидації);

- нанесення і прояв фоторезисту, який закриває ділянки фольги, що не підлягають витравлювання;

- травлення заготовок;

- відмивання та сушка заготовок;

- електричне тестування, контроль отриманих заготовок;



Рис. 5. Структура МПП, виготовлена класичним методом металізації наскрізних отворів: 1 - контактна площадка зовнішнього шару; 2 - наскрізне монтажне металізоване отвір; 3 - провідник внутрішнього шару; 4 - провідник зовнішнього шару; 5 - наскрізне перехідний металізоване отвір; 6 - контактний майданчик внутрішнього шару; 7 - основа (ядро МПП); 8 - шар прокладочной склотканини (препреги); 9 - мідна фольга; 10 - гальванічна мідь

- підготовка поверхні фольги (активація) для забезпечення кращого зчеплення фольги з Препреги при пресуванні;

- пресування заготовок в єдиний пакет;

- свердління крізних отворів (що підлягають металізації) на верстатах з ЧПУ;

- очищення отворів від наносів смоли (desmaer-процес);

- активація міді, тонка хімічна металізація і гальванічна затяжка (як і для ДПП при комбінованому позитивному способі);

- нанесення й експонування фоторезисту через фотошаблон для виготовлення зовнішніх шарів;

- основна гальванічна металізація, нанесення металлорезіста і видалення експонованого фоторезисту;

- травлення оголених ділянок фольги між елементами друкованого малюнка зовнішніх шарів;

- видалення металлорезіста;

- відмивання плати, сушка;

- нанесення паяльної маски;

- нанесення фінішного покриття на контактні площадки;

- нанесення маркування;

- обрізка плати по контуру;

- електричне тестування, контроль.

Недоліки методу металізації наскрізних отворів:

- головний недолік - відносно механічно слабкий зв'язок металізації отворів з торцями контактних майданчиків внутрішніх шарів. Це призводить до ускладнення виготовлення МПП по високих класів надійності, необхідності застосування спеціальних методів очищення і підготовки поверхні отворів перед металізацією;

- для забезпечення якісної металізації отворів необхідно дотримуватися відношення мінімального діаметра отвору до товщини плати як 1: 8, не більше (збільшення співвідношення до 1:10 і більше призводить, як правило, до зниження якості металізації і зниження надійності плати). Це обмежує або мінімальний діаметр перехідних отворів МПП (виготовлених за цим методом), або товщину плати;

- через відсутність міжшарових переходів цей метод має кілька більш низьку щільність розміщення топології і монтажу. Так як перехідні отвори наскрізні, то при виготовленні переходу з одного з сигнальних шарів на інший отвори і контактні площадки до них будуть присутні на всіх інших шарах. Це обмежує ефективну площу трасування на всіх шарах і вводить обмеження на розміщення компонентів і на розташування перехідних отворів;

- необхідно точно поєднувати друковані шари при виготовленні ядер, а також ядра при пресуванні. Найменші неточності суміщення в процесі пресування, деформації базових матеріалів, а також похибки фотошаблонів і неточності при свердлінні отворів призводять до порушення підключень фольги (у внутрішніх шарах) до гальванічної міді, обложеної в порожнині отворів;

- особливої ретельності вимагає підбір режимів пресування і якість технологічної оснастки пресів (для забезпечення міцної адгезії пакета шарів). Не менш важлива рівномірна полімеризація смоли у всій структурі МПП, щоб забезпечити подальшу стійкість МПП до температурних впливів у процесі групового монтажу.

Переваги методу металізації наскрізних отворів:

- можливість високої автоматизації процесу виготовлення МПП і повної автоматизації при виготовленні ядер, оскільки цей процес заснований на звичайній субтрактивній технології, добре освоєної в промисловості;

- простота реалізації МПП, тому що всі процеси однотипні і прості, не вимагають складного оснащення;

- висока швидкість виготовлення плат, оскільки всі заготовки (ядра) можуть виготовлятися одночасно в одному технологічному циклі;

- низька чутливість до шлюбу і огріхів виготовлення окремих ядер. Це значно збільшує вихід придатної продукції і, як наслідок, здешевлює вартість МПП.

- висока повторюваність і швидкість виготовлення малюнка топології (особливо при використанні струминного травлення) дозволяє широко використовувати цей метод у великосерійному виробництві;

- використання фольгованих діелектриків з малою товщиною фольги дозволяє зменшити бічній подтрав і виготовляти провідники малої ширини з високою точністю. Застосування струминного травлення і широкий вибір травяна розчинів дозволяють виготовляти провідники з високою якістю і стабільністю параметрів шириною до 75 мкм, при такому ж значенні зазорів на фользі товщиною 18 мкм. Це дозволяє виготовляти друковані плати високої складності з великою щільністю топології, недосяжною при використанні інших методів виготовлення МПП;

- відсутність міжшарових переходів дозволяє застосовувати дуже тонкі діелектричні підстави для виготовлення ядер МПП, а мала товщина фольги дозволяє використовувати тонкі препреги. Застосування ж тонких діелектриків призводить до можливості виготовлення МПП невеликої товщини з великою кількістю шарів;

- цей метод дозволяє виготовляти друковані плати з практично не обмеженою кількістю шарів, тим самим компенсує більш низьку щільність розміщення топології і монтажу. У порівнянні з іншими методами виготовлення він значно спрощує топологію, оскільки дозволяє надати конструктору велику варіантність в розміщенні трас, використовувати більш короткі лінії зв'язку;

- можливість введення додаткових шарів без істотного збільшення вартості плат дозволяє виконувати в структурі МПП екранують шари, відводити під живлення окремі шари. Це призводить до поліпшення характеристик швидкодіючих сигналів, підвищенню якості харчування компонентів, високого ступеня захисту сигналів від зовнішніх і внутрішніх електромагнітних перешкод і зниження випромінювання елементами топології, що істотно при проектуванні складних швидкодіючих пристроїв.

Однак існують принаймні дві причини, які унеможливлюють ефективне використання методу металізації наскрізних отворів для виготовлення ультрасложних МПП. Перша причина - використання мікросхем в корпусах BGA з малим кроком висновків. Друга причина - використання надвеликих мікросхем (НВІС) в корпусах BGA, LGA та їм подібних з дуже великою кількістю висновків. Розглянемо ці випадки більш детально.

При використанні мікросхем в BGA-корпусах з кроком висновків 0,60 мм і менше виникає необхідність застосування перехідних отворів з дуже малим діаметром. Наприклад, для мікросхем з кроком розташування кульок 0,50 мм необхідно використовувати перехідні отвори діаметром 0,10 мм. Якісну металлизацию таких микроотверстий можна забезпечити тільки при відносно невеликій товщині плати - 0,50-0,80 мм, не більше. Таке обмеження по товщині плати може не дозволити виготовити МПП з необхідною кількістю шарів. Крім того, сам технологічний процес осадження міді в каналах крізних отворів настільки малого діаметра викликає найчастіше нездоланні технологічні труднощі, причиною яких стають капілярні ефекти всередині таких микроотверстий.

При застосуванні в конструкції пристрою НВІС в BGA-корпусах з кількістю кульок від 800 і більше, для коректної розводки, виникає необхідність у використанні великої кількості шарів (16 і більше). Ситуація посилюється у разі великого споживання струму в ланцюгах харчування НВІС і великий розсіюється, а тим більше при необхідності побудови узгоджених ліній передач. У цьому випадку виникає необхідність застосування додаткових шарів харчування, тепловідвідних шарів, що екранують шарів, розташованих між кожною парою сигнальних шарів. Для суворого дотримання узгодження імпедансів ліній передач сигналу регламентуються відстані між сигнальними і опорними шарами. Все це призводить до необхідності застосування дуже великої кількості шарів у МПП, збільшенню її товщини і підвищенню вимог до точності виготовлення елементів друкованого малюнка, а також точності суміщення шарів і точності сверловки. Внаслідок сказаного вище, вартість виготовлення друкованої плати істотно зростає.

При значному збільшенні товщини МПП для забезпечення якісної металізації виникає необхідність використання перехідних отворів більшого діаметру, що не завжди можливо конструктивно, так як простір для розташування перехідних отворів (біля висновків BGA-корпусу) строго регламентовано.

Саме ці причини призвели до відмови використання (у чистому вигляді) методу металізації наскрізних отворів для виготовлення ультрасложних МПП (плати HDI - надвисокої щільності розміщення елементів друкованого малюнка). Для таких плат характерною рисою стало об'єднання кількох методів виготовлення [6], [7]. Найчастіше при виготовленні HDI-структур використовують комбінацію методів металізації наскрізних отворів і пошарового нарощування. Спільне застосування цих методів дає найкращі результати для виготовлення провідників малої ширини і з малими зазорами між елементами друкованого малюнка. При такій комбінації методів, як правило, внутрішнє суб'ядро HDI-структури виготовляється методом металізації наскрізних отворів. Потім методом пошарового нарощування виконуються шари, що мають мікропереходние отвори між суміжними шарами.

Таким же способом можна виготовляти і HDI-структури з великою кількістю різних типів мікропереходов на глибші шари. Це дозволяє значно знизити кількість шарів плати, що благотворно позначається на надійності і вартості виготовлення. Структури саме такого типу застосовуються при виготовленні складних МПП для мобільних пристроїв, МПП високої щільності з обмеженнями за розміром і в пристроях з використанням НВІС з великою кількістю висновків і малим кроком висновків BGA-корпусів.

Існують і більш екзотичні варіанти побудови стека МПП. Проте надмірна складність виготовлення, що включає безліч технологічних процесів, значно збільшує вартість готового виробу. Неможливість високої автоматизації виготовлення обмежує застосування таких структур. Як правило, плати з подібними стеками застосовуються лише у виняткових випадках для реалізації високотехнологічних пристроїв з дуже високим ступенем надійності, але не вимагають серійного виробництва.

Література:

1. А. Медведев. Печатные платы. Конструкции и материалы. - М.: Техносфера. 2005. 304 с. 

2. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. - М.: ФОРУМ. 2005. - 560 с.

3. И. Барановский. Современный дизайн и технологии печатных плат: вопрос-ответ. Финишные покрытия плат. Особенности применения. CHIP NEWS Украина, #04 (84), май, 2009

4. А. Медведев. Технология производства печатных плат. -М.: Техносфера. 2005. -360 с.

5. А.А. Федулова, Ю.А. Устинов, Е.П. Котов и другие. «Технология многослойных печатных плат»: Радио и связь, 1990г.

6. Под научным руководством и редакцией Ф.П. Галецкого. «Конструкция и технология изготовления многослойных печатных плат быстродействующих ЭВМ»: Москва, 1991г.

7. Happy Holden, The HDI Handbook. First Edition, 2009, 631p.

Размещено на Allbest.ru