Технология изготовления формирователя контрольного сигнала

Технология  изготовления формирователя  контрольного сигнала

В данном разделе  дипломной работы был разработан технологический маршрут изготовления и сборки СВЧ модуля формирователя  контрольного сигнала РЛС. Также  был проведен анализ и выбор методов  изготовления стеклотекстолитовых плат, методов нанесения рисунка. Рассмотрен маршрут сборки СВЧ модуля.

                                                             1.Введение

      В общем случае печатная плата (ПП) представляет собой диэлектрическое основание и рисунок в виде металлических пленочных проводников. К материалу диэлектрика ПП предъявляются определенные требования, в частности - поверхностное сопротивление должно быть не менее  10 ⁹ Ом см, относительная диэлектрическая проницаемость      ε =4÷5.

      Уменьшение  ε необходимо для уменьшения паразитных емкостных связей на плате. Кроме электрических характеристик, платы должны отвечать достаточно широкому набору конструктивно-технологических характеристик: обеспечивать достаточную прочность и жесткость сборочному узлу на их основе, не подвергаться расслоению и короблению во время технологической обработки и эксплуатации, обеспечивая в то же время легкость при механической обработке во время изготовления платы.

     2.Характеристика методов изготовления печатных  плат

     Методы  изготовления ПП (рис.1) разделяют на две группы: субстрактивные и аддитивные.

     Рис.1.Методы изготовления печатных плат 

     В субстрактивных 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.

     Аддитивные  (additio -прибавление) методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание, на которое предварительно может наноситься слой клеевой композиции. По сравнению с субстрактивными они обладают следующими преимуществами:

     1) однородностью структуры, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином химико-гальваническом процессе;

     2) устраняют подтравливание элементов печатного монтажа;

     3) улучшают равномерность толщины металлизированного слоя в отверстиях;

     4) повышают плотность печатного монтажа;

     5) упрощают технологический процесс  (ТП) из-за устранения ряда операций (нанесения защитного покрытия, травления);

     6) экономят медь, химикаты для травления  и затраты на нейтрализацию  сточных вод; 

     7) уменьшают длительность производственного цикла.

     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 субстрактивная технология, особенно с переходом на фольгированные диэлектрики с тонкомерной фольгой (5 и 18 мкм). 

2.1.Субстрактивные  методы.

     Рис.2.Негативный процесс с использованием сухого плёночного фоторезиста

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

     Первый  вариант (рис.2) – негативный процесс с использованием сухого пленочного фоторезиста (СПФ). Процесс достаточно простой, применяется при изготовлении односторонних (ОПП) и двухсторонних (ДПП) печатных плат. 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. 

     Рис.3. Позитивный процесс.

     Второй  вариант (рис.3) – 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 (5-7 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 (рис.4) – 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 СПФ, 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 ДПП с металлизированными отверстиями. Однако необходимо обеспечить гарантированное запечатывание отверстий фоторезистом. Кроме того, качество поверхности металла вокруг отверстий должно быть очень хорошим, без заусениц.

     Рис.4. Тентинг-процесс.

     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± 5°С, на подогретые до температуры 60 ÷ 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.

     Субстрактивный  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 5 мкм интервал разброса ширины проводников порядка 7 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 субстрактивной технологии размеры проводников на фотошаблоне необходимо увеличивать на величину заужения. Из этого следует, что субстрактивная 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 5-9 мкм;
• 100 - 125 мкм при толщине проводников 20 - 35 мкм;
• 150 - 200 мкм при толщине проводников 50 мкм.

2.2. Аддитивные методы.

     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 субстрактивного тем, что металл проводников наносится, а не вытравливается. Проводящий рисунок формируется последовательным наращиванием слоев: 1 – получение на временных "носителях" - листах из нержавеющей стали - медной шины толщиной 2÷20 мкм; 2 – формирование рисунка в СПФ; 3 – гальваническое осаждение тонкого слоя никеля (2÷3 мкм) и меди (30 ÷ 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 препрег или другой диэлектрик. Полученный прессованный слой вместе с медной шиной механически отделяется от поверхности носителей. Если не нужны межслойные переходы, то медная шина стравливается.

     По  способу создания токопроводящего покрытия аддитивные методы разделяются на химические и химико-гальванические. При химическом процессе на каталитически активных участках поверхности происходит химическое восстановление ионов металла. В разработанных растворах скорость осаждения меди составляет 2-4 мкм/ч и для получения необходимой толщины процесс продолжается длительное время.

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

Рис.5. Формирование проводящего рисунка. 

  Проводящий  рисунок формируется (рис.5) последовательным наращиванием слоев: 1 – получение  на временных "носителях" - листах из нержавеющей стали - медной шины толщиной 2÷20 мкм; 2 – формирование рисунка в СПФ; 3 – гальваническое осаждение тонкого слоя никеля (2÷3 мкм) и меди (30 ÷ 50 мкм) по рисунку освобождений в рельефе пленочного фоторезиста. В защитном рельефе пленочного фоторезиста на верхнюю поверхность сформированных проводников производится также нанесение адгезионных слоев (5). После этого пленочный фоторезист удаляется (6). При изготовлении ДПП подготовленные пластины разделяются пластиной препрега или другого диэлектрика (7) и спрессовываются (8), после чего механически удаляются носители (9). Если не нужны межслойные переходы, то медные шины стравливаются и плата готова (10).

   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.

   При обеспечении  требуемых параметров технологического процесса аддитивная технология позволяет получать рисунок проводников на плате с большей точностью и воспроизводимостью:

• ширина проводников, сформированных в рельефе пленочного фоторезиста, практически по всей высоте проводника равна ширине изображения на фотошаблоне, интервал разброса не превышает 5-10 мкм;
• искажения ширины проводников на поверхности подложки относительно размеров на фотошаблоне в среднем составляют от 10 мкм до 20 мкм;
• суммарный интервал разброса ширины проводников по всей высоте фоторельефа не превышает 15-20 мкм.

     Таким образом, в отличие от субстрактивной технологии аддитивные процессы принципиально  позволяют получать ПП по самым высоким  классам точности.

     На  основе анализа методов изготовления печатных плат выбираем субстрактивный метод, позитивный процесс, как наиболее оптимальный для нашей печатной платы. 

     3. Методы нанесения  рисунка печатных  плат.

     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 1 и 2 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 3—5 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 изготавливают преимущественно субстрактивным сеточно-химическим или аддитивным методом, а ДПП гальваническим аддитивным  или комбинированными фотохимическими (негативным или позитивным) методами. Наиболее распространен из второй группы метод металлизации сквозных отверстий.

      4. 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.

      Большинство диэлектриков выпускается промышленностью  с проводящим покрытием из тонкой медной электролитической фольги, которая для улучшения прочности сцепления с диэлектрическим основанием с одной стороны оксидирована или покрыта слоем хрома (1-3 мкм). Толщина фольги стандартизирована и имеет значения 5, 18, 35 и 50, 70, 105 мкм. Фольга характеризуется высокой чистотой состава (99,5%), пластичностью, высотой микронеровностей 0,4-0,5 мкм.

      В качестве основы в слоистых пластиках используют электроизоляционную бумагу или стеклянную ткань. Их пропитывают фенольной или фенолэпоксидной смолой. Фольгирование диэлектриков с одной или с двух сторон осуществляют прессованием при температуре 160-180 °С и давлении 5-15 МПа. Фольгированные слоистые диэлектрики поставляются в виде листов размерами от 400 до 1100 и толщиной 0,06-3 мкм. Их используют при субстрактивных методах изготовления ПП. Гетинакс, обладая удовлетворительными электроизоляционными свойствами в нормальных климатических условиях, хорошей обрабатываемостью и низкой стоимостью, нашел применение в производстве несложной РЭА.

      Ниже  в таблице 1 представлены материалы  основания ПП, наиболее часто используемые в настоящее время для изготовления СВЧ модулей формирователей контрольного сигнала РЛС, ДПП.

      Таблица 1. Материалы для печатных плат.

      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.

      Нефольгированные диэлектрики применяют при полуаддитивном и аддитивном методах производства ПП. Для улучшения прочности сцепления металлического покрытия с основанием на его поверхность наносят тонкий (50-100 мкм) полуотвержденный клеевой слой (например, эпоксидкаучуковую композицию). Введение в лак, пропитывающий стеклоткань, 0,1-0,2 мас. % палладия, смеси палладия с оловом или закиси меди незначительно снижает сопротивление изоляции, но повышает качество металлизации.

      В качестве основы для ПП СВЧ-диапазона используют неполярные полимеры (фторопласт, полиэтилен, полипропилен), полярные (полистирол, полифениленоксид) и их сополимеры. Направленное изменение свойств термопластичных материалов достигается наполнением (алунд, двуокись титана), армированием (стеклоткань) и плакированием (медная фольга).

      Керамические  материалы характеризуются высокой  механической прочностью, которая незначительно изменяется в диапазоне температур 20-700 °С, стабильностью электрических характеристик и геометрических параметров, низким (0-0.2%) водопоглощением и газовыделением при нагреве в вакууме, хрупкостью и высокой стоимостью. Промышленность выпускает их в виде пластинок размером от 20х16 до 60х48 мм с высотой микронеровностей 0,02-0,1 мкм  и разнотолщинностью ±0,01-0,05 мм. Они предназначены для изготовления одно- и многослойных коммутационных плат микросборок для СВЧ диапазона.

     На  основании таблицы и свойств  материалов для печатных плат выбираем стеклотекстолит теплостойкий фольгированный с гальваностойкой фольгой марки СТФ-2-35 толщиной 0,8 мм.

       Наиболее полно технологический  процесс изготовления, сборки печатной  платы представлен на рис. 6

Рис.6.Схема  технологического процесса изготовления печатной платы СВЧ модуля формирователя контрольного сигнала РЛС. 
 

5. Сборка печатных  плат СВЧ модуля  формирователя контрольного  сигнала 

     Для пайки элементов на плату используем пасту паяльную водорастворимую  ППВ-190 (ТСО 029.023 ТУ), разработанную во ФГУП «НПП «Исток», где:

     - П - паста;

     - П – паяльная;

     - В – водорастворимая;

     - 190 - температура плавления припоя  ПОС-61.

     Процесс приготовления пасты заключается  в растворении двух компонентов  связки в третьем при нагреве  и смешивании с порошком припоя до получения однородной массы. Паста  может быть легко приготовлена на рабочем месте самим оператором (сборщиком).

     В пасте использованы  неокисленный стандартный легкоплавкий порошкообразный  припой  ПОС-61 с дисперсностью  частиц 53…60 мкм.

     Флюсующая связка состоит из трёх компонентов: двух многоатомных спиртов, один из которых служит растворителем и играет роль флюса, другой спирт служит стабилизатором связки и повышает её клеящие свойства. В качестве активатора используется минеральное основание, которое также растворяется в многоатомном спирте.

     Механизм  флюсования в процессе пайки условно можно разделить на два этапа.

1. При подъёме температуры до 140°С активатор связки выполняет функцию детергента (очистителя поверхности).
2. При дальнейшем нагреве до температуры пайки растворитель и активатор выполняют функцию флюса: в результате реакции с окислами паяемой поверхности и припоя образуются растворимые в воде органические соли.

       Все компоненты флюсующей связки  хорошо растворяются в проточной  тёплой воде при температуре  50…60°С и поэтому после пайки легко отмываются, не оставляя следов.

     Паста обладает повышенной флюсующей активностью  при минимальном  количестве компонентов  флюсующей связки и отсутствии канифоли. Флюсующая связка пасты не содержит компонентов, обладающих токсическими действиями на организм человека.

     Применение  пасты решает проблему очистки паяных узлов с точки зрения охраны окружающей среды. Применение в качестве растворителей хлорфторуглеродов и азеотропных смесей на их основе, вредно воздействующих на экологию, полностью исключено.