Технологии изготовления интегральной радиоэлектроники. Функциональная электроника

Содержание:

1. Технология клеевых соединений в производстве ИРЭ: физико-химические основы, классификация и характеристики методов. Конструкция соединений. Клеи.

Клеями (адгезивами) называют композиции, применяемые для соединения материалов за счет прочного сцепления между собой их поверхностей и клеевой прослойки. Большинство клеев имеет полимерную органическую основу. В зависимости от вида полимера их разделяют на термопластичные и термореактивные, холодного и горячего отверждения, обычного температурного диапазона применения и термостойкие.

К главным достоинствам склеивания относятся: способность соединять разнородные материалы, стойкость соединения к воздействию окружающей среды, его герметичность. Склеивание отличается простотой технологии и может быть легко механизировано и автоматизировано. Экономическая эффективность применения клеевых соединений зависит главным образом от типа клея, его назначения, отрасли промышленности, в которой он используется, технической оснащенности производства и других факторов.

Основу большинства клеев составляют полимеры. Успехи химии полимеров позволили создать клеи, надежно соединяющие разнообразные конструкционные материалы – металлы, керамику, пластмассы, стекло. В состав клеевой композиции помимо полимеров входят наполнители, пластификаторы, отвердители, растворители и другие добавки целевого назначения. С целью улучшения тех или иных свойств (повышения теплостойкости, вязкости, адгезионной прочности и др.) в качестве основы клея могут быть использованы два или более полимера.

Наибольшее практическое применение получили синтетические клеи обычного температурного диапазона использования (до 100°С) на основе эпоксидных, фенолоальдегидных и полиуретановых смол. Клеи с термостойкостью до 130…160°С получают на основе эпоксидных смол, модифицированных фурановыми соединениями. К группе синтетических клеев с термостойкостью до 500°С относятся композиции на основе фенольных смол и кремнийорганических соединений.

Качество и работоспособность любого клеевого соединения зависит главным образом от того, насколько правильно выбран клей, какие он имеет свойства и насколько правильно выбрана и выдержана технология склеивания.

Технологический процесс склеивания состоит из нескольких операций, основными из которых являются подготовка поверхности под склеивание, приготовление и нанесение клея на склеиваемые поверхности и отверждение клея. Склеиваемые поверхности должны быть тщательно подготовлены, клей должен их хорошо смачивать, иметь оптимальную толщину в клеевом соединении и быть утвержден по оптимальному для него режиму.

В большинстве случаев подготовка поверхностей заключается в очистке их от загрязнений, обезжиривании и придании им необходимой шероховатости. Идеальной можно считать такую подготовку поверхности, при которой наблюдается когезионное (по клею) разрушение клеевых соединений. В практике склеивания применяются различные механические, химические и физико-химические способы обработки поверхности, существенно повышающей прочность склеивания.

Физико-химические основы склеивания

В основе процессов склеивания материалов находятся явления когезии и адгезии. Когезия –это сцепление частиц одного и тогоже материала, адгезия – это сцепление частиц различных материалов;причиной когезии и адгезии являются силы межмолекулярного воздействия.Кроме того в процессе склеивания возникают сложные физико-химические явления: химические реакции, силы поверхностного натяжения, адсорбция, электростатические силы, диффузия (у высокомолекулярных полимеров).

Незначительное влияние на клеящую возможность оказывает механическое сцепление клеящего вещества (механическая адгезия).

Для качественного соединения необходима соответствующая подготовка склеиваемых поверхностей и смачивание их клеящим веществом.

Клеящим веществом являются растворённые высокополимерные синтетические смолы или реактивные смеси различных химических cтруктур. Для металлов применяют растворы смол: эпоксидной, фенольной, полиэфирной, полиуретановой и силиконовой, а для пластмасс растворы смол, кроме перечисленных, поливиниловых соединений, полиамидов, полиакрилатов, производных каучука и аминопластов. Отверждение клеящего вещества осуществляется или посредством химической реакции или посредством испарения и диффузии.

Вид клеевого соединения выбирается так, чтобы возникали в нём в основном сдвигающие нагрузки, а остальные виды нагрузок были минимальны (рис. I).

Рис. 1. Виды нагрузок на клеевое соединение: а растяжение; б) сдвиг; в)- скалывание

При всех видах соединений клеевой шов должен воспринимать всю нагрузку и поэтому должен иметь возможно большую поверхность, однако, длина соединения должна бать ограничена некоторой величиной. Изгибающие, как и скалывающие нагрузки приводят к надрыву соединения у концов перекрытия. С увеличением толщины шва увеличивается изгибающий момент, поэтому толщина пленки клеящего вещества должна быть равномерной и не превышать 0,2 мм.

Прочность соединения определяется свойствами отвержденного клея в клеевом соединении, прочностью склеиваемого материала и видам соединения.

Вид клеевого соединения определяется конфигурацией детали и нагрузкой. Прочными клеевыми соединениями являются одинарная нахлестка, двойная нахлестка, нахлестка с подсечкой, соединение со скошенными кромками, полушиповое, с двойной накладкой, со скошенными накладками и др. (рис. 2). Кроме того, клеевые соединения часто применяют в комбинации с другими типами соединений для придания соединениям дополнительных свойств - герметичности, прочности, вибростойкости.

Рис. 2 Виды клеевых соединений с рекомендуемым действием нагрузок (указаны стрелкой): а) одинарная нахлестка, б) встык с односторонней накладкой, в)встык с двусторонней накладкой, г) нахлества с подсечкой, д) со скошенными кромками, е) угловые соединения.

К клеям предъявляют следующие требования: нейтральность к склеиваемым материалам, стойкость к воде, к воздействию различных сред, к нагреванию, охлаждению, резким перепадам температур; грибостойкость; высокие адгезионные и когезионные свойства; простота нанесения на поверхность; хорошее заполнение зазоров между соединяемыми поверхностями; продолжительная жизнеспособность приготовленного клея; возможность склеивания при комнатной и повышенной температурах и низком давлении.

При выборе клея необходимо учитывать физико-химические и технологические свойства, а так же условия эксплуатации изделия.

Краткая характеристика клеев: предел прочности при сдвиге при температуре 20°С - 60-320 кгс/см, соединяют в зависимости от марки клея различные металлы с металлами и неметаллами, неметаллы с неметаллами, стойкость к воздействию внешних сред (бензина, керосина, масла, температуры, холода и др.), интервал рабочих температур (-60-250°С) , виброустойчивость и др. Лучшими клеями для склеивания полимера является раствор или расплав этого же полимера.

Для достижения электропроводности при сохранении прочности применяют токопроводящие клеи (контактолы) - смеси токопроводящего материала (металлического порошка или пудры и т.п.) со связующей смолой. Такие клеи склеивают различные электро- и радиодетали их применяют для изготовления печатных схем. Для склеивания серебряных, медных, платиновых, палладиевых поверхностей, покрытых припоем П0С61 применяют клей контактов К-4.

Технологический процесс склеивания состоит из следующих операций:

• подготовка поверхностей склеиваемых деталей,
• подготовка клея,
• нанесение клея на склеиваемые поверхности,
• сушка (открытая выдержка) нанесенного клея перед сборкой соединяемых деталей,
• сборка деталей,
• запрессовка,
• отверждение клеевых швов (выдержка при определенных температуре и давлении в течении заданного времени),
• зачистка клеевых соединений,
• контроль качества соединения.

Качество подготовки поверхностей в значительной мере определяет прочность соединения. Поверхности тщательно пригоняют одна к другой, очищают от загрязнений, в некоторых случаях повышают шероховатость поверхности для увеличения поверхности склеивания, создают промежуточные слои, имеющие повышенную адгезию к поверхности металла, а клеи к ним. Оптимальная шероховатость поверхности Rz= 20...6,3 мкм. Иногда перед склеиванием на поверхность наносят защитное покрытие, препятствующее коррозии.

Обработку поверхностей выполняют механическим, химическим или физическим способами.

Механическим способом удаляют: а) остатки лака, грязь, оксидные соли, окалину после прокатки, прессовочные пленки и прилипшие отслаивающиеся вещества (удаляют посредством пескоструйной или дробеструйной обработки обезжиренным материалом, шлифования, зачистки наждаком, полирования, очистки стальными щетками, пламенной струи, снятия стружки); б) лаки и жиры удаляя.т растворителями при погружении деталей в ацетон, бензин, хлористые и фтористые углеводороды или водные растворы моющих веществ (акрил, акрилсульфанол, щелочные растворы тринатрий фосфата). Быстро очищают поверхности при ультразвуковой обработке с мощностью колебаний 5-10 ВТ/см2.

Химические способы обработки активизируют склеиваемые поверхности. Активизируют поверхности в ваннах для химического травления; для различных склеиваемых материалов используют различные составы ванн. Длительность воздействия и температура точно выдерживается. Иногда после активизировании производят обработку в нейтральной или в особых промывных ваннах. Окончательною промывку производят в чистой воде с небльшим содержанием солей хлора и наносят слой клеящего вещества сразу после обработки поверхности.

Физические способы обработки поверхности применяют только для пластмасс; способы оказывают термическое или электрическое воздействие на поверхность детали. К термическим способам относят пламенные способы (например, обработка газовым пламенем). К электрическим способам относят: облучение элементарными частицами, обладающими большой энергией; обработка электрическим разрядом в газовой атмосфере; обработка тлеющим разрядом низкого давления.

Подготовка клея заключается в тщательном смешивании исходных компоненитов. Смешивание выполняется в тех случаях, когда клеящее вещество состоит из двух и более компонентов. При смешивании не должны быть замешаны воздушные пузырьки. Для приготовления больших количеств клея используют вакуумные смесители. Срок применения холодных клеящих веществ ограничен. Обычно смешивание производят перед их употреблением.

Способ нанесения клея определяется его консистенцией (густотой, вязкостью). Жидкотекучие клеи наносят кистью, пульверизатором или погружением и накатыванием с помощью валика. Пастообразные клеи наносят шпателем. Твердые клеи перед употреблением сначала разжижают (для хорошего смачивания поверхностей). Для этого склеиваемые детали нагревают и их поверхность посыпают порошком клеящего вещества. При автоматическом склеивании используют кле­евые пленки.

Соединение склеиваемых деталей производится в приспособлениях, обеспечивающих при отверждении клея фиксирование деталей в определенном положении. Фиксирование деталей выполняют с помощью стальных стяжных лент, болтовых соединений снабженных пружинами, грузов, струбцинок, скоб, прессов и пресс-форм. При склеивании на всю поверхность должно действовать постоянное давление. Величина давления зависит от марки клея. Отверждение клея производится в нагревательных печах, обеспечивающих равномерный нaгpeв.

Для нагревания соединяемых элементов при сушке применяют сушильные камеры (шкафы), обдувку теплым воздухом, контактные и рефлекторные электронагреватели, ТВЧ, инфракрасные лучи.

Сборку склеиваемых деталей выполняют запрессовкой в пневматических, гидравлических, винтовых прессах, автоклавах и с помощью специальных приспособлений. Требуемый подогрев деталей при сборке выполняют на прессах с электроподогревом или паровым обогревом. Режимы склеивания (время, давление, температура) определяет применяемый состав клея.

Контроль соединения в готовых изделиях выполняют по этапам: внешний осмотр изделия, простукивание и проверка с помощью специальных приборов без разрушения соединения; испытания образцов - свидетелей или образцов, вырезанных из изделий; испытания разрушением определенного процента изделий от серии и др.

Качество клеевого шва в значительной степени зависит от приемов нанесения клея. При нанесении клея на поверхность необходимо следить, чтобы слой клея был равномерным и строго определенной толщины. Оптимальной следует считать толщину 0,1…0,2 мм. Выбор способа нанесения клея определяется его вязкостью.

Клеи могут быть жидкими, пастообразными или в виде клеящейся пленки. Наиболее рациональны клеящие пленки или липкие ленты, не требующие изменения толщины клеевого слоя. Для нанесения пастообразных клеев чаще всего используют шпатели, низковязких – кисти или щетки. Низковязкие клеи можно наносить и валиком. Хорошие результаты получаются при нанесении клея с помощью пульверизатора.

Для достижения заданной прочности клеевых соединений практически для всех типов клеев необходимо отверждение. Технология склеивания предусматривает также стадию выдержки после нанесения клея с целью удаления летучих компонентов. Параметрами отверждения являются давление склеивания, температура и продолжительность. Температура отверждения для различных клеев колеблется в очень широких пределах: от комнатной до 300°С. Повышение этой температуры сокращает продолжительность отверждения, увеличивает прочность клеевых соединений, однако одновременно снижает эластичность клеевой прослойки.

Для нагрева применяют обычные электрические печи, а также ультрафиолетовые, электронные, лазерные и рентгеновские лучи, ультразвук, нагрев с помощью микроволн, высокочастотные колебания и др. При выборе способа отверждения необходимо учитывать экономическую целесообразность применения каждого конкретного способа нагрева.

Важным параметром технологического процесса склеивания является давление. При использовании пленочных клеев, например, давление должно быть в пределах от 0,3 до 1,4 МПа. Для обеспечения давления в процессе формирования клеевых швов могут быть использованы различные грузы, гидравлические прессы, гидравлические и вакуумные мешки и другие способы.

При выборе типа клея необходимо учитывать природу склеиваемых материалов, условия работы клеевых конструкций (продолжительность эксплуатаций, рабочие температуры, характер нагрузок и др.), стоимость клея, санитарно-гигиенические условия его применения, горючесть и т.п.

Необходимо иметь ввиду и тот факт, что в любом случае при эксплуатации клеевых соединений происходит постепенное ухудшение их свойств и разрушение адгезионных связей в результате температурных и атмосферных воздействий, нагрузки, влаги и других факторов. Поэтому для оценки работоспособности клеевых конструкций необходимы их испытания с учетом воздействия всех эксплуатационных факторов.

В последние годы интенсивно разрабатываются неорганические клеи с термостойкостью до 3000°С на основе оксидов магния, алюминия, кремния и щелочных металлов. Они служат для склеивания керамических, металлических изделий, деталей из графита, кварца и других термостойких материалов. Используются эти клеи в авиационной, космической и электронной промышленности. Однако в обычном температурном диапазоне эксплуатации изделий прочность этих клеев пока несколько ниже прочности рассмотренных выше синтетических клеев на основе полимеров.

Классификация клеев

1. По природе основного компонента различают клеи:

• неорганические;
• органические;
• элементоорганические;

2. В зависимости от склеиваемых материалов и условий работы:

• БФ-2, БФ-4 (склеивания стали, алюминиевых и медных сплавов, стекла, пластмасс, кожи);
• клей 88 (склеивание металлов и неметаллов, дюралюминия с кожей и резиной, дерева с резиной и других материалов);
• эпоксидный клей ЭД-20 (склеивание и герметизации неразъёмных соединений из стали, алюминия, керамики, стекла и других материалов, обеспечивая термостойкое соединение).

3. По геометрии клеевого шва:

• по косому срезу рис.3а,
• с накладными 3б,
• нахлёсточными 3в

Рис. 3. Виды клеевых соединений листов

2. Изготовление печатных плат. Общая характеристика методов. Формирование рисунка ПП методами сеткографии, офсетной и трафаретной печати.

Печатные платы — это элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической цепи. Они получили широкое распространение в производстве модулей, ячеек и блоков ЭА.

Печатным монтажом называется совокупность плоских проводников, нанесенных на изоляционное основание и обеспечивающих требуемое соединение элементов в электрической цепи. Применение печатного монтажа по сравнению с объемным позволяет:

- увеличить плотность монтажных соединений и обеспечить миниатюризацию изделий;

- обеспечить унификацию и стандартизацию конструктивных и технологических решений;

- увеличить надежность за счет резкого сокращения числа паяных соединений в изделии;

- гарантировать стабильность электрических характеристик;

- улучшить вибропрочность, теплоотдачу и стойкость к климатическим воздействиям;

- автоматизировать операции сборки и монтажа ЭА, уменьшить трудоемкость и снизить стоимость изделия.

К недостаткам печатного монтажа следует отнести сложность внесения изменений в конструкцию изделия, ограниченную ремонтопригодность, повышенный расход цветных металлов.

Элементами ПП являются диэлектрическое основание, металлическое покрытие в виде рисунка печатных проводников   и   контактных   площадок, монтажные и фиксирующие отверстия. Они должны соответствовать требованиям ГОСТ 23752—86 и отраслевых стандартов.

Диэлектрическое основание ПП или МПП должно быть однородным по цвету, монолитным по структуре и не иметь внутренних пузырей и раковин, посторонних включений, сколов, трещин и расслоений. Допускаются отдельные вкрапления металла, царапины, следы от удаления одиночных не-вытравленных участков, точечное и контурное просветление, проявление структуры материала, которые не ухудшают электрических параметров ПП и не уменьшают минимально допустимых расстояний между элементами проводящего рисунка.

Проводящий рисунок должен быть четким, с ровными краями, без вздутий, отслоений, подтравливаний, разрывов, темных пятен, следов инструмента и остатков технологических материалов. Допускаются: отдельные местные протравы не более 5 точек на 1 дм2 при условии, что оставшаяся ширина проводника соответствует минимально допустимой по чертежу; риски глубиной не более 25 мкм и длиной до 6 мм; отслоение проводника в одном месте на длине не более 4 мм; остатки металлизации на пробельных участках, не уменьшающие допустимых расстояний между элементами.

Для повышения коррозионной стойкости и улучшения паяемости на поверхность проводящего рисунка наносят электролитическое покрытие, которое должно быть сплошным, без разрывов, отслоений и подгаров. В отдельных случаях допускаются: участки без покрытия площадью не более 2 мм2 на проводник, но не более 5 на плате; местные наросты высотой не более 0,2 мм; потемнение и неоднородность покрытия, не ухудшающие паяемость; отсутствие покрытия на торцах проводников.

Монтажные и фиксирующие отверстия должны быть расположены в соответствии с требованиями чертежа и иметь допустимые отклонения, определяемые классом точности ПП. Для повышения надежности паяных соединений внутреннюю поверхность монтажных отверстий покрывают слоем меди толщиной не менее 25 мкм. Покрытие должно быть сплошным, без включений, пластичным, с мелкокристаллической структурой и прочно сцепленным с диэлектрическим основанием. Оно должно выдерживать токовую нагрузку 25 А/мм2 в течение 3 с при нагрузке на контакты 1,0—1,5 Н и четыре (для МПП — три) перепайки выводов без изменения внешнего вида, подгаров и отслоений.

Контактные площадки представляют собой участки металлического покрытия, которые соединяют печатные проводники с металлизацией монтажных отверстий. Их площадь должна быть такой, чтобы не было разрывов при сверлении и остался гарантийный поясок меди шириной не менее 50 мкм. Разрывы контактных площадок не допускаются, так как при этом уменьшается токонесущая способность проводников и адгезия к диэлектрику. Допускается частичное отслоение отдельных (до 2 %) контактных площадок вне зоны проводников и их ремонт с помощью эпоксидного клея. Контактные площадки монтажных отверстий должны равномерно смачиваться припоем за время 3—5 с и выдерживать не менее трех (для МПП — двух) перепаек без расслоения диэлектрика, вздутий и отслаивания.

В процессе производства происходит деформация ПП, которая приводит к их изгибу и скручиванию, затрудняющим последующую сборку. Величина деформации определяется механической прочностью фольгированных диэлектриков, характером напряженного состояния после стравливания  фольги,  правильностью режимов нагрева и охлаждения.

На платах толщиной 0,8 мм и менее деформация не контролируется, при толщинах 1,5—3 мм деформация на 100 мм длины не должна превышать: для МПП 0,4—0,5 мм, для ДПП на стеклотекстолите 0,6—0,9, на гетинаксе 0,6—1,5 мм. При воздействии на ПП повышенной температуры (260— 290 °С) в течение 10 с не должно наблюдаться разрывов проводящего покрытия, отслоения от диэлектрического основания.

ТП изготовления ПП не должен ухудшать электрофизических и механических свойств применяемых конструкционных материалов. Сопротивление изоляции между двумя рядом расположенными элементами ПП при минимальном расстоянии между ними 0,2—0,4 мм не должно быть для стеклотекстолита меньше: 10 000 МОм при нормальных климатических условиях (температура (25±1) °С, относительная влажность (65+15) %, атмосферное давление 96-104 кПа); 1000 МОм после воздействия (2 ч) температуры (60±2) °С и 300 МОм после воздействия (2 ч) температуры (85±2) °С; 20 МОм после пребывания в течение 4 сут в камере с относительной влажностью (93±3) % при температуре (40±2) °С, 5 МОм после 10 сут и 1 МОм после 21 сут; восстановление первоначального значения сопротивления изоляции должно происходить в течение суток.

Электрическая прочность изоляции при том же расстоянии между элементами проводящего рисунка не нарушается при напряжениях: 700 В в нормальных условиях; 500 В после воздействия относительной влажности (93±3) % при температуре (40±2) °С в течение 2 сут; 350 и 150 В после воздействия пониженного давления (53,6 и 0.67 кПа соответственно). Для внутренних слоев МПП указанные значения испытательного напряжения увеличиваются на 15 %.

Плотность монтажа определяется шириной проводников и расстоянием между ними. В соответствии с ГОСТ 23751—86 для ПП установлено пять классов плотности монтажа, допускающих минимальную ширину и зазоры между проводниками: 0,75; 0,45; 0,25; 0,15; 0,10 мм.

Трассировку рисунка схемы проводят по координатной сетке с шагом 2,5 и 1,25 мм по ГОСТ 10317-77, а также 0,625 мм. Минимальные диаметры отверстий, расположенных в узлах координатной сетки, зависят от максимального диаметра вывода навесного элемента (dвыв), наличия металлизации и толщины платы.

Высокие конструктивно-технологические требования предъявляются к печатному монтажу блоков ЭВМ, где увеличение производительности ЭВМ находится в непосредственной зависимости от возможностей сокращения длины связей между логическими элементами, так называемой конструктивной задержки сигнала. Это достигается более плотной компоновкой ИМС на плате и прогрессирующим повышением плотности печатного монтажа.

Методы изготовления ПП (рис. 1.1.1) разделяют на две группы: субтрактивные и аддитивные.

Рис. 1.1.1

В субтрактивных методах 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 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:

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

Рис. 1.1.2

Субтрактивные методы.

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

Первый вариант (рис. 1.1.2) – 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.