Анализ и пути снижения себестоимости продукции (на примере ЗАО "Атлант")

Современная бытовая техника оснащается электронным блоком управления. Техника производства МЗХ ЗАО «Атлант» не является исключением. Новые модели снащены электронным блоком управления на основе печатных плат.

Применение печатных плат, позволяет увеличить:

– надежность элементов, узлов и техники в целом;

– технологичность, за счет автоматизации некоторых процессов сборки и мон-тажа;

– плотность размещения элементов за счет уменьшения габаритов и массы;

– быстродействие;

– помехозащищенность элементов и схем.

Особое значение при конструировании печатных плат имеют стандарты: ГОСТы, ОСТы, СТП. В настоящее время их используется до нескольких десятков. Одними из основных документов являются: ГОСТ 23751-86 и ГОСТ 23752-79. ГОСТ 23751-86 устанавливает основные конструктивные параметры ПП (размеры печатных проводников, зазоров, контактных площадок, отверстий и т.п.), позиционные допуски расположения элементов конструкций, электрические параметры. ГОСТ 23752-79 определяет требования к конструкции ПП и ее внешнему виду, к электрическим параметрам, к паяемости и перепайке, к устойчивости при климатических и механических воздействиях.

Печатные платы (ПП) предназначены для электрического соединения элементов схемы между собой и в общем, случае представляют вырезанный по размеру материал основания, содержащий необходимые отверстия и проводящий рисунок, который может быть выполнен как на поверхности, так и в объеме основания.

В настоящее время известно более 40 различных технологических методов изготовления печатных плат. Метод изготовления печатных плат необходимо выбирать при эскизной компоновке аппаратуры, в процессе которой определяются основные габариты и размеры плат, требуемая для данных изделий плотность монтажа.

Методы изготовления ПП разделяют на две группы: субтрактивные и аддитивные.

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 ПП. По субтрактивной технологии рисунок проводников получается травлением медной фольги по защитному изображению в фоторезисте или металлорезисте. Применяются три разновидности субтрактивной технологии.

Первый вариант - негативный процесс с использованием сухого пленочного фоторезиста (СПФ). Процесс достаточно простой, применяется при изготовлении односторонних и двухсторонних ПП. Металлизация внутренних стенок отверстий не выполняется. Заготовка - фольгированный диэлектрик. Методами фотолитографии с помощью сухого пленочного фоторезиста на поверхности фольги формируется защитная маска, представляющая собой изображение (рисунок) проводников. Затем открытые участки медной фольги подвергаются травлению, после чего фоторезист удаляется.

Второй вариант - позитивный процесс. Создается проводящий рисунок двухсторонних слоев с межслойными металлизированными переходами (отверстиями). Сухой пленочный фоторезист (СПФ) наслаивается на заготовки фольгированного диэлектрика, прошедшие операции сверления отверстий и предварительной (пять - семь мкм) металлизации медью стенок отверстий и всей поверхности фольги. В процессе фотолитографии СПФ защитный рельеф получают на местах поверхности металлизированной фольги, подлежащей последующему удалению травлением. На участки, не защищенные СПФ, последовательно осаждаются медь и металлорезист (сплав SnPb), в том числе и на поверхность стенок отверстий. После удаления маски СПФ незащищенные (более тонкие) слои меди вытравливаются. Процесс более сложный, однако, с его помощью удается получить металлизированные стенки отверстий.

Третий вариант - так называемый тентинг-процесс. Как и в позитивном процессе, берется заготовка в виде фольгированного диэлектрика, формируются отверстия, проводится предварительная металлизация всей платы, включая внутренние стенки отверстий. Затем наносится СФП, который формирует маску во время фотолитографии в виде рисунка печатных проводников и образует завески - тенты над металлизированными отверстиями, защищая их во время последующей операции травления свободных участков медной фольги. В этом процессе используются свойства пленочного фоторезиста наслаиваться на сверленые подложки без попадания в отверстия и образовывать защитные слои над металлизированными отверстиями. Применение тентинг-метода упрощает технологический процесс изготовления двусторонних ПП с металлизированными отверстиями. Однако необходимо обеспечить гарантированное запечатывание отверстий фоторезистом. Кроме того, качество поверхности металла вокруг отверстий должно быть очень хорошим, без заусениц.

Для получения изображений используется пленочный фоторезист толщиной 15-50 мкм. Толщина фоторезиста в случае метода «тентинг» диктуется требованиями целостности защитных завесок над отверстиями на операциях проявления и травления, проводимых разбрызгиванием проявляющих и травящих растворов под давлением 1,6-2 атм. и более. Фоторезисты толщиной менее 45-50 мкм на этих операциях над отверстиями разрушаются.

Подготовка поверхностей заготовок под наслаивание пленочного фоторезиста с целью удаления заусенцев сверленых отверстий и наростов гальванической меди производится механической зачисткой абразивными кругами с последующей химической обработкой в растворе персульфата аммония или механической зачисткой водной пемзовой суспензией. Такие варианты подготовки обеспечивают необходимую адгезию пленочного фоторезиста к медной поверхности подложки и химическую стойкость защитных изображений на операциях проявления и травления. Кроме того, механическая зачистка пемзой дает матовую однородную поверхность с низким отражением света, обеспечивающая более однородное экспонирование фоторезиста.

Фоторезист наслаивается по специально подобранному режиму: при низкой скорости наслаивания 0,5 м/мин, при температуре нагрева валков 115 °С ± 5 °С, на подогретые до температуры 60 ч 80 °С заготовки. При экспонировании изображения используются установки с точечным источником света, обеспечивающим высококоллимированный интенсивный световой поток на рабочую поверхность с автоматическим дозированием и контролем световой энергии.

Субтрактивный метод получения рисунка проводников ПП основан на травлении медной фольги по защитной маске. Из-за процессов бокового подтравливания меди под краями маски поперечное сечение проводников имеет форму трапеции, расположенной большим основанием на поверхности диэлектрика. Величина бокового подтравливания и, соответственно, разброс ширины создаваемых проводящих дорожек зависит от толщины слоя металла: при травлении фольги толщиной пять мкм интервал разброса ширины проводников порядка семь мкм, при травлении фольги толщиной 20 мкм разброс составляет 30 мкм, а при травлении фольги толщиной 35 мкм разброс составляет около 50 мкм.

Искажения ширины медных проводников по отношению к размерам ширины их изображений в фоторезисте и на фотошаблоне смещаются в сторону заужения. Следовательно, при субтрактивной технологии размеры проводников на фотошаблоне необходимо увеличивать на величину заужения. Из этого следует, что субтрактивная технология имеет ограничения по разрешению, которые определяются толщиной фольги и процессами травления. Минимально воспроизводимая ширина проводников и зазоров составляет порядка:

– 50 мкм при толщине фольги пять - девять мкм;

– 100 - 125 мкм при толщине проводников 20 - 35 мкм;

– 150 - 200 мкм при толщине проводников 50 мкм.

Аддитивные (additio - прибавление) методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание, на которое предварительно может наноситься слой клеевой композиции. 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 (пять и 18 мкм).

Для изготовления печатных плат с шириной проводников и зазоров 50 -100 мкм с толщиной проводников 30-50 мкм рекомендуется использовать аддитивный метод формирования рисунка (метод ПАФОС). Это полностью аддитивный электрохимический метод, по которому проводники и изоляция между ними (диэлектрик) формируются селективным гальваническим осаждением проводников и формированием изоляции только в необходимых местах прессованием. Метод ПАФОС, как аддитивный метод, принципиально отличается от субтрактивного тем, что металл проводников наносится, а не вытравливается. Проводящий рисунок формируется последовательным наращиванием слоев:

– получение на временных "носителях" - листах из нержавеющей стали - медной шины толщиной 2ч20 мкм;

– формирование рисунка в СПФ;

– гальваническое осаждение тонкого слоя никеля (два ч три мкм) и меди (30 ч 50 мкм) по рисунку освобождений в рельефе пленочного фоторезиста. В защитном рельефе пленочного фоторезиста на верхнюю поверхность сформированных проводников производится также нанесение адгезионных слоев.

После этого пленочный фоторезист удаляется, и проводящий рисунок на всю толщину впрессовывается в диэлектрик. Полученный прессованный слой вместе с медной шиной механически отделяется от поверхности носителей.

При изготовлении двухсторонних слоев с межслойными переходами перед травлением тонкой медной шины сверлятся и металлизируются отверстия. Проводящий рисунок, утопленный в диэлектрик и сверху защищенный слоем никеля, при травлении медной шины не подвергается воздействию травильного раствора. Поэтому форма, размеры и точность проводящего рисунка определяются формой и размерами освобождений в рельефе пленочного фоторезиста, т.е. процессами фотохимии (фотолитографии). Отсюда к процессам фотолитографии предъявляются более жесткие требования, в частности, оптической плотности белых и черных полей фотошаблонов, резкости края изображения, стабильности температуры и влажности в рабочих помещениях.

Профиль фоторельефа пленочного фоторезиста зависит от применяемой модели светокопировальной установки. При экспонировании на установках с совершенной экспонирующей системой, обеспечивающей высокую коллимацию высокоинтенсивных световых лучей и отсутствие нагрева рабочей копировальной поверхности, фоторельеф имеет ровные боковые стенки с малым наклоном к поверхности подложки.

Методы нанесения рисунка ПП. Основными методами, применяемыми в промышленности для создания рисунка печатного монтажа, являются офсетная печать, сеткография и фотопечать. Выбор метода определяется конструкцией ПП, требуемой точностью и плотностью монтажа, производительностью оборудования и экономичностью процесса.

Метод офсетной печати состоит в изготовлении печатной формы, на поверхности которой формируется рисунок слоя. Форма закатывается валиком трафаретной краской, а затем офсетный цилиндр переносит краску с формы на подготовленную поверхность основания ПП.

Метод применим в условиях массового и крупносерийного производства с минимальной шириной проводников и зазоров между ними 0,3-0,5 мм (платы первого и второго классов плотности монтажа) и с точностью воспроизведения изображения ±0,2 мм. Его недостатками являются высокая стоимость оборудования, необходимость использования квалифицированного обслуживающего персонала и трудность изменения рисунка платы.

Сеткографический метод основан на нанесении специальной краски на плату путем продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, на котором необходимый рисунок образован ячейками сетки, открытыми для продавливания. Метод обеспечивает высокую производительность и экономичен в условиях массового производства. Точность и плотность монтажа аналогичны предыдущему методу.

Самой высокой точностью (±0,05 мм) и плотностью монтажа, соответствующими третьему -- пятому классу (ширина проводников и зазоров между ними 0,1- 0,25 мм), характеризуется метод фотопечати. Он состоит в контактном копировании рисунка печатного монтажа с фотошаблона на основание, покрытое светочувствительным слоем (фоторезистом).

Однослойные ПП и ГПК изготавливают преимущественно субтрактивным сеточно-химическим или аддитивным методом, а ДПП и ГПП химико-гальваническим аддитивным или комбинированными фотохимическими (негативным или позитивным) методами. Производство МПП основано на типовых операциях получения ОПП и ДПП и некоторых специфических процессах, таких как прессование слоев, создание межслойных соединений и др.

Выбор метода изготовления МПП определяется следующими факторами: числом слоев, надежностью соединений, плотностью монтажа, видом выводов устанавливаемых ЭРЭ и ИС, возможностью механизации и автоматизации, длительностью производственного цикла, экономичностью. Методы, основанные на использовании объемных деталей для межслойных соединений, характеризуются повышенной трудоемкостью, низкой надежностью, плохо поддаются автоматизации. Наиболее распространен из второй группы метод металлизации сквозных отверстий.

Конструкционные материалы печатных плат. Для изготовления ПП широкое распространение получили слоистые диэлектрики, состоящие из наполнителя и связующего вещества (синтетической смолы, которая может быть термоактивной или термопластичной), керамические и металлические (с поверхностным диэлектрическим слоем) материалы.

Выбор материала определяется электроизоляционными свойствами, механической прочностью, обрабатываемостью, стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся климатических условий, себестоимостью. Ниже в таблице 3.10 представлены материалы основания ПП, наиболее часто используемые в настоящее время для изготовления ОПП, ДПП.

Таблица 3.10 Материалы основания ПП для изготовления ОПП, ДПП

По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение. Однако у них есть ряд недостатков: худшая механическая обрабатываемость; более высокая стоимость; существенное различие (примерно в 10 раз) коэффициента теплового расширения меди и стеклотекстолита в направлении толщины материала, что может привести к разрыву металлизации в отверстиях при пайке или в процессе эксплуатации.

Соединение отдельных слоев МПП осуществляют специальными склеивающими прокладками, которые изготавливают из стеклоткани, пропитанной недополимеризованной эпоксидной смолой. Содержание смолы в прокладках должно быть в пределах 42-52%, а летучих веществ не более 0,75 %. Длительное сохранение клеящих свойств межслойных прокладок достигается их консервацией в герметически упакованных полиэтиленовых мешках при пониженной (+10°С) температуре.

Изготовление фотошаблонов. Изображение рисунка проводников ПП, разработанное на стадии создания конструкторской документации на изделие, должно быть перенесено на защитную маску фото- или металлорезиста в зависимости от типа применяемого процесса для создания ПП. Для переноса изображения предназначены фотошаблоны (ФШ), представляющие собой негативное или позитивное отображение конфигурации печатных проводников, выполненное в натуральную величину на светопроницаемом основании. Комплектом фотошаблонов называют то количество фотошаблонов, совмещающихся между собой, которое необходимо и достаточно для изготовления ПП определенного типа и наименования. По назначению они разделяются на контрольные (эталоны), и рабочие, которые изготавливаются с контрольных методом контактной печати и служат для перенесения имеющегося на них рисунка на плату.

Изображение элементов на фотошаблоне должно соответствовать требованиям чертежа и быть черно-белым, контрастным с четкими и ровными границами при оптической плотности темных полей не менее 2,5-3 ед. и прозрачных участков не более 0,15-0,2 ед., замеренной с точностью ±0,02 ед. на фотоэлектрическом денситометре типа. Размеры печатных проводников и контактных площадок устанавливаются с учетом величины подтравливания. Фотошаблон должен быть износостойким, иметь минимальную деформацию при изменении температуры и влажности окружающей среды. В большей степени перечисленным требованиям удовлетворяют сверхконтрастные фотопластинки и полированные силикатные стекла с металлизированными поверхностями, на которых получают контрольные фотошаблоны. Рабочие фотошаблоны изготавливают на малоусадочных (не более 0,01-0,03%) фотопленках.

На фотошаблоны наносят также технологические контрольные знаки. Контрольный знак - специальный топологический элемент в виде штриха, щели, креста и пр., служащий для контроля точности изготовления оригиналов и фотошаблонов и применяемый для совмещения фотошаблонов слоев двусторонних и многослойных ПП, а также при выполнении операции мультипликации.

Обычно фотошаблоны получают на основе оригинала ПП, выполненного также на материале, который имеет стабильные размеры (органическое или силикатное стекло, алюминий, лавсан и др.), но в увеличенном масштабе 2:1, 4:1, 10:1. Оптимальный масштаб выбирается исходя из габаритов ПП, требуемой точности получения фотошаблона и погрешности изготовления оригинала выбранным методом:

M = _ор / _фш , (11)

где _ор, _фш - половина поля допуска на изготовление оригинала и фотошаблона.

Основными методами получения оригиналов являются вычерчивание, наклеивание липкой ленты и вырезание эмали.

Вычерчивание изображения оригинала на специальной бумаге или малоусадочной пленке, на которую предварительно наносится непроявляющейся синей краской с шагом 2,5±0,05 мм координатная сетка, осуществляют вручную (в основном, для макетных работ) или на автоматическом чертежном аппарате, управляемом координатографом.

Метод аппликаций состоит в наклеивании на прозрачное основание калиброванных одиночных и групповых элементов, изготовленных из светонепроницаемой безусадочной антистатической пленки. Для получения изображения ДПП на одну сторону основания наклеивают красные (желтые) элементы, а на другую синие (фиолетовые). Последующее фотографирование через соответствующий светофильтр обеспечивает получение совмещенного оригинала рисунков с точностью ±0,2 мм. Метод рекомендуется для изготовления ОПП и ДПП, простых по конструкции, с пониженной плотностью монтажа.

Наибольшую точность изготовления оригиналов ПП (±0,05мм) обеспечивает метод вырезания эмали. Для этого на прозрачное основание наносят равномерный слой гравировальной черной эмали, которую после сушки вырезают с пробельных мест на универсально-расточных станках, снабженных измерительными микроскопами, или на координатографах. В качестве инструмента используются пунктирные иглы, граверные резцы, рейсфедеры с алмазными наконечниками.

Из готового оригинала контрольные фотошаблоны получают масштабным фотографированием на фоторепродуционных полиграфических камерах с объективами, имеющими высокую разрешающую способность. Рабочие фотошаблоны изготавливают с контрольных способом контактной печати. Если ТП предусматривает обработку групповой заготовки (при размерах ПП до 100 мм), то на специальном оборудовании (фотоштампах) методом мультипликации получают групповой фотошаблон с точным расположением рисунков рядами и строками, общими элементами совмещения и общим машинным нулем отсчета координат программного сверления отверстий. После экспонирования и мультиплицирования осуществляется химико-фотографическая обработка фотоматериала, контроль полученного фотошаблона, ретуширование - удаление дефектов.

Более прогрессивным является метод получения фотошаблонов сканирующим световым лучом. Он выполняется на лазерных растровых генераторах изображений (фотоплоттерах) сканированием лазерного пятна по поверхности пленок или стеклянных пластин и испарением маскирующего покрытия или засветки фотоматериала в соответствии с рисунком ПП. В фотоплоттере имеется библиотека часто повторяющихся в топологических чертежах элементов и узлов.

При изготовлении крупноформатных шаблонов ПП на стеклах с маскирующим покрытием методом лазерного гравирования погрешность взаимного расположения рисунка составляет ±0,01 мм, точность позиционирования ±0,005 мм, точность повторного позиционирования ±0,002 мм, неровность края изображения ±0,01 мм, погрешность воспроизведения размеров элементов изображения ±0,015 мм, погрешность расположения элементов относительно базового отверстия ±0,015 мм.

Формирование растрового изображения рисунка (оригинала) в фотоплоттере вне зависимости от сложности рисунка происходит с высокой скоростью в течение нескольких минут. Тиражирование фотошаблонов проводится без использования методов контактной печати с высокой точностью. Работа фотоплоттеров поддерживается входными и выходными форматами систем автоматического проектирования. Это позволяет:

– получать фотошаблоны и программы сверления с цифрового планшета;

– просматривать и редактировать ФШ и программы сверления;

– создавать групповые заготовки на основе контура ПП одновременно для всех слоев;

– автоматически генерировать по ФШ программы сверления;

– подсчитывать площадь металлизации, число контактных площадок проводников, отверстий, длину проводников и пр.

Время изготовления ФШ, например, размером 550 на 550 мм с минимальной толщиной линии 0,15 мм и неровностью края экспонируемого элемента ±10 мкм составляет пять - шесть мин.

Сетчатые трафареты представляют собой металлическую раму из алюминиевого сплава, на которую натянут тканый материал. К материалу ткани предъявляются следующие требования: величина просветов должна быть в полтора -- два раза больше толщины нитей; на ткани не должно быть дефектов; она должна быть прочной на разрыв, устойчивой к истиранию, эластичной и практически не должна растягиваться в процессе работы, ячейки ткани не должны взаимодействовать с растворителями краски. Наибольшей точностью и долговечностью обладают металлические сетки из нержавеющей стали или фосфористой бронзы с размером ячеек 40-50 мкм, а наиболее эластичны сетки из капрона, лавсана, металлизированного нейлонового моноволокна. Для изготовления сетчатого трафарета на поверхность рамы наносят специальный клей и укладывают сетку. Сетка равномерно натягивается таким образом, чтобы относительная деформация материала не превышала шесть-восемь процентов для капрона, пять-семь процентов для фосфористой бронзы и два - три процента для нержавеющей стали. Сетка приклеивается к раме и обезжиривается. Рисунок платы на поверхности сетки получают прямым копированием через фотошаблон нанесенной фотополимерной композиции.

Печатные формы. Конструктивно формы для офсетной печати разделяются на три вида: высокой печати, глубокой печати и с расположением печатных участков в одной плоскости. Изготавливают их из алюминия, цинка, сплавов на их основе и пластмасс с помощью травления, гравирования, прессования, обработки гидрофобизирующей жидкостью, сборки из отдельных элементов и др. Наиболее технологичной, точной и надежной оказалась печатная форма для сухого офсета. Она представляет собой пластину из алюми-ния толщиной 0,5-1 мм, на которую наносится тонкая пленка силиконового лака, не смачиваемого трафаретной краской. На пленке при помощи лазерного гравировального автомата выжигается рисунок ПП.

4 ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ УСЛОВИЙ ТРУДА НА СЕБЕСТОИМОСТЬ ПРОДУКЦИИ МЗХ ЗАО «АТЛАНТ» И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ИХ УЛУЧШЕНИЮ