Формирование структуры сложных многослойных печатных плат
- Подробности
- Автор: EngineerDeveloper®
В настоящее время в России имеется лишь несколько контрактных производств, выпускающих МПП 5-го и выше класса точности, и, безусловно, эти производства владеют самой современной технологией и оснащены «по последнему слову техники». Одним из таких предприятий является ОАО «НИЦЭВТ». В статье, на примере цеха печатных плат ОАО «НИЦЭВТ», представлены оборудование и технология, позволяющие обеспечить заданную точность МПП на этапе «совмещение слоёв — прессование — сверление».
Введение
Все более жесткие требования к печатным платам, предъявляемые изготовителями электроники, вынуждают производителей печатных плат постоянно совершенствовать технологию изготовления и обновлять технологическое оборудование. Этот процесс неизбежен и требует высококвалифицированной работы технологов по выбору технологического оборудования и разработке техпроцесса. Сложность заключается в отсутствии исчерпывающей информации по современным технологиям и соответствующему им оборудованию.
Как правило, покупкой одной единицы оборудования проблема выпуска на предприятии печатных плат, удовлетворяющих современным требованиям, не решается. Необходим грамотно подобранный комплекс технологического оборудования, все единицы которого по своим техническим характеристикам позволяют изготовить печатную плату по выбранной технологии с заданной точностью.
В этой статье мы рассмотрим один из важнейших этапов изготовления многослойной печатной платы — этап, включающий в себя следующие операции: совмещение внутренних слоёв, прессование и сверление МПП. На данном этапе многочисленные комплекты слоёв с рисунком схемы превращаются в единую многослойную печатную плату, и именно в этот момент закладывается, будет ли будущая МПП годной или уйдет в брак. Обозначим несколько проблем, приводящих к браку МПП на этом этапе изготовления (рис. 1):
— рассовмещение внутренних слоёв;
— коробление МПП;
— воздушные включения в спрессованной МПП (непропрессовка);
— смещение отверстий относительно контактных площадок за счет неточно сформированных баз для сверлильного станка;
— смещение отверстий относительно контактных площадок за счет размерных изменений МПП, возникших в процессе прессования.
Располагать эти проблемы в какой-либо последовательности и поочередно их решать — на мой взгляд, бессмысленно, потому что, только решение всех обозначенных проблем в комплексе позволит выпускать МПП 5-го и выше класса точности с выходом годных не ниже 95%. Комплексный подход в решении обозначенных проблем заключается в выборе технологии совмещения внутренних слоёв и подборе соответствующего оборудования для её реализации.
Обзор технологий совмещения
В настоящее время существуют несколько технологий совмещения внутренних слоёв и прессования МПП. Кратко остановимся на двух основных.
Штифтовая технология
В соответствии с этой технологией, внутренние слои после травления рисунка схемы и оптического контроля поступают на установку пробивки базовых отверстий. Затем по базовым отверстиям внутренние слои устанавливаются на базовые штифты пресс-формы. Форма, количество и расположение штифтов / отверстий могут быть различными.
В данной технологии точность совмещения слоёв МПП складывается из точности формы и расположения базовых штифтов пресс-формы и базовых отверстий в слоях и составляет в лучшем случае ±50 мкм [1].
Не стоит забывать, что листы прокладочной стеклоткани, разделительной пленки, медной фольги или САС (Cu-Al-Cu) и прокладочные листы из нержавеющей стали, также должны иметь отверстия в местах расположения базовых штифтов пресс-формы. Причем для каждого типоразмера заготовки понадобится свой комплект пресс-форм и прокладочных листов.
Бесштифтовая технология
Данная технология в корне отличается от ранее описанной штифтовой технологии: внутренние слои после травления рисунка схемы и оптического контроля сразу поступают на установку предварительной сборки пакета МПП. В этой установке производится поочередное оптическое совмещение всех внутренних слоёв МПП по реперным знакам с одновременным укладыванием необходимого количества листов прокладочной стеклоткани. После того, как все внутренние слои совмещены — запускается процесс сварки слоёв в единый пакет МПП (бондирование). После этого сбондированный пакет готов к укладке в пресс-форму, требуется только положить необходимое количество листов прокладочной стеклоткани и листовую медь или САС для наружных слоёв.
Точность совмещения слоёв МПП в бесштифтовой технологии составляет ±17 мкм [2]. Такая высокая точность определяется оптическим совмещением и бондированием внутренних слоёв в единый пакет за один технологический цикл внутри одной установки.
Также стоит отметить, что для реализации данной технологии необходим только один комплект пресс-форм и прокладочных листов, т.к. для размещения сбондированного пакета в пресс-форме не требуется базовых штифтов, а, следовательно, нет необходимости изготавливать отдельные пресс-формы и прокладочные листы для каждого типоразмера заготовки.
Необходимо упомянуть еще об одной технологии совмещения внутренних слоёв и прессования МПП, занимающей промежуточное положение между двумя ранее описанными технологиями.
В соответствии с этой технологией во внутренних слоях сверлятся базовые отверстия, затем слои совмещаются на штифтах (как в штифтовой технологии) и соединяются между собой сваркой или заклепками, далее прессование ведется в пресс-формах без штифтов (как в бесштифтовой технологии).
Точность совмещения слоёв в данной технологии превосходит точность штифтовой технологии, но не превышает точности бесштифтовой [6]. Это обусловлено наличием операции сверления базовых отверстий с последующим совмещением слоёв на штифтах.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что бесштифтовая технология совмещения внутренних слоёв и прессования МПП является наиболее подходящей для производства МПП 5-го и выше класса точности.
Однако нужно понимать, что заявленную точность совмещения можно получить только на тех внутренних слоях, размер изображения на которых точно соответствует исходному файлу. К сожалению, в реальном производстве таких слоёв не бывает, так как в процессе травления рисунка схемы происходят первичные размерные изменения слоёв. Это обусловлено тем, что стравленная медь высвобождает внутренние напряжения, накопленные диэлектриком в процессе изготовления базового материала. Величина размерных изменений напрямую зависит от конструктивных характеристик слоя (материал, баланс меди, конфигурация слоя). Наиболее подвержены размерным изменениям материалы, не усиленные стеклянным волокном. Это материалы на полиимидной основе и большинство СВЧ материалов.
Для увеличения точности совмещения внутренних слоёв в ОАО «НИЦЭВТ» на этапе подготовки к производству исходные файлы подвергаются корректировке с целью компенсации будущих размерных изменений. Сделать правильную корректировку позволяет многолетний опыт и статистические данные, накопленные в процессе выполнения предыдущих заказов.
Формирование комплекса технологического оборудования
Первый шаг сделан, нами выбрана технология совмещения внутренних слоёв и прессования МПП. Это и будет отправной точкой в формировании комплекса технологического оборудования для операций совмещения внутренних слоёв, прессования и сверления МПП.
Совмещение и бондирование
Технология бесштифтового совмещения внутренних слоёв реализована в установках бондирования (рис. 2) по принципу последовательного совмещения слоёв и сварки собранного пакета в нескольких точках по периферии. Причем, каждый последующий слой совмещается не с предыдущим, а с общей нулевой точкой, тем самым, обеспечивая максимальную точность совмещения всех слоёв в пакете МПП.
Совмещение слоёв в таких установках осуществляется системой технического зрения на основе CCD-камер по реперным знакам, сформированным на слоях в результате операций фотохимии и травления. Благодаря этому исключается операция сверления базовых отверстий в слоях и листах прокладочной стеклоткани, что благотворно влияет на точность совмещения и уменьшает количество выделяемой пыли в чистом помещении, где производится сборка пакета МПП. Подсветка реперных знаков в установке бондирования осуществляется светодиодами. Цвет подсветки зависит от типа адгезивного покрытия меди на слоях перед прессованием и обеспечивает максимальную контрастность медь/диэлектрик.
Бондирование или сварка собранного пакета МПП может выполняться индуктивным методом, нагревательными головками или ультразвуком. Метод бондирования, равно как и количество точек сварки, зависит от производителя оборудования. По сути метод сварки не влияет на точность совмещения и лишь призван обеспечить неподвижность слоёв в сбондированном пакете во время сборки пресс-формы и процесса прессования. Для сварки собранного пакета МПП никаких дополнительных материалов не требуется, скрепление слоёв происходит за счет расплавления и полимеризации прокладочной стеклоткани, уложенной еще на этапе совмещения слоёв.
Качество скрепления слоёв между собой напрямую зависит от работы технолога по подбору режимов бондирования. Они различны для разных МПП и зависят от толщины и количества внутренних слоёв, а также от марки прокладочной стеклоткани.
К примеру, параметры бондирования, доступные технологу при оснащении установки нагревательными головками: давление нагревательных головок на пакет МПП в местах бондирования, температура нагревательных головок, время контакта нагревательных головок с пакетом МПП, время охлаждения точек сварки воздухом под давлением.
Установки бондирования поставляются как в автоматическом, так и в полуавтоматическом исполнении. В автоматических установках процесс совмещения и бондирования происходит автоматически, оператору лишь требуется по команде системы управления последовательно загружать внутренние слои и листы прокладочной стеклоткани. В полуавтоматических установках оператор отвечает также и за процесс совмещения слоёв. Совмещение в таких установках осуществляется при помощи ручек управления перемещением по осям X (всего слоя) и Y (каждого реперного знака). Все действия оператора при совмещении слоёв контролируются системой управления и наглядно отображаются на мониторе установки в режиме реального времени в виде величин рассовмещения (рис. 3).
Независимо от типа исполнения установки, решение об окончании процесса совмещения слоя принимает система управления, чем полностью исключается влияние на точность совмещения «человеческого фактора».Перенастройка установки на другой размер заготовки занимает считанные минуты и заключается в перемещении CCD-камер и бондирующих головок при помощи ручек, расположенных на боковых стенках установки.
Для выполнения сборки наиболее точных плат к установке бондирования можно добавить отдельную станцию измерения слоёв. Слой, загруженный в такую станцию, контролируется по 8 реперным знакам (по 4 знака с каждой стороны слоя). Данные со станции измерения слоёв пересылаются в установку бондирования и используются для наилучшего совмещения слоя. От приобретения данной станции можно отказаться, если установка бондирования оснащена функцией контроля размерных изменений слоёв по 2-м точкам и при экспонировании фоторезиста на слоях фотошаблоны совмещаются при помощи оптической системы (количество CCD-камер не менее 4-х). В таблице 1. Приведены характеристики оборудования ОАО «НИЦЭВТ» для совмещения и бондирования.Таблица 1. Оборудование ОАО «НИЦЭВТ» для совмещения и бондирования.
Прессование
Платы 5-го и выше класса точности могут иметь:
— переходные отверстия на внутренних слоях;
— крайне высокую плотность проводников;
— тепловые слои с медью толщиной до 200 мкм;
— требования по волновым сопротивлениям;
— слои из высокочастотных материалов;
— ужесточенные относительно ГОСТа допуски на толщину и коробление МПП.
Изготовление подобных плат возможно только на прессах с:
— минимальными градиентами температур при нагреве и охлаждении;
— высокой точностью поддержания заданного давления;
— вакуумированием рабочей зоны;
— плоскостностью плит не хуже ± 50 мкм.
Всем вышеописанным требованиям удовлетворяют два типа прессов с вакуумированием рабочей зоны (рис. 4):
— прессы с электрическим нагревом плит;
— прессы с термомасляным нагревом плит
Не смотря на необходимость установки отдельной масляной станции, прессы с термомасляным нагревом плит являются более предпочтительными для изготовления плат 5-го и выше класса точности, т.к. обладают значительно меньшими градиентами температур при нагреве и охлаждении, а также вызывают меньший термоудар станции водоподготовки во время цикла охлаждения. Вакуумирование рабочей зоны необходимо для более эффективного удаления летучих фракций из прессуемого пакета, что в свою очередь ведет к снижению вероятности появления в спрессованной плате воздушных включений и позволяет проводить процесс прессования на более низких величинах давления. Причем, вакуумирование рабочей зоны может производиться как во время цикла прессования, так и до приложения давления, что особенно актуально для нетекучих прокладочных стеклотканей, применяемых в гибко-жестких печатных платах.
Для прессования пакетов МПП, собранных по бесштифтовой технологии, достаточно иметь один комплект пресс-форм и прокладочных листов, т.к. отсутствие базовых штифтов позволяет использовать этот комплект для всех типоразмеров заготовок. Однако во избежание повреждения плит пресса не рекомендуется работать с пакетами МПП, размер которых меньше минимально разрешенного производителем оборудования. Если же требуется увеличить производительность участка прессования, то необходимо к горячему прессу добавить холодный пресс и второй комплект пресс-форм. В холодном прессе будет проводиться окончательный этап процесса прессования — охлаждение пресс-форм до температуры 30°С, тем самым уменьшая продолжительность цикла прессования в горячем прессе в среднем на треть.
Для выполнения операций укладки сбондированных пакетов МПП в пресс-формы и извлечения, спрессованных МПП необходимо оснастить участок прессования станцией сборки / разборки пресс-форм. Качественное центрирование сбондированного пакета МПП и материалов для прессования при укладке в пресс-форму обеспечивает система лазерных указателей.
Перемещение пресс-форм между прессами и станцией сборки / разборки пресс-форм, как правило, расположенными в разных по классу чистоты помещениях, должно осуществляться по роликовым конвейерам. А загрузка пресс-форм в горячий пресс и их выгрузка из холодного — при помощи подъемных устройств.
Система управления современных прессов построена на базе ПК и специализированного программного обеспечения и позволяет одновременно управлять несколькими прессами (рис. 5).
Электронная система управления в зависимости от производителя позволяет:
— создавать новые программы прессования или выбирать одну из ранее написанных программ;
— вести статистику с сохранением графиков изменения всех параметров прошедших циклов;
— получать в режиме реального времени значения параметров прессования, данные с нескольких термопар, размещенных в прессуемых пакетах.
В таблице 2 приведены характеристики оборудования для прессования, используемого в ОАО «НИЦЭВТ».
Сверление
В большинстве случаев процесс сверления заготовки МПП проходит в 3 этапа.
1. Формирование базовых отверстий под штифты для установки на сверлильный станок.
2. Штифтование заготовки МПП.
3. Сверление отверстий по рабочей программе.
В процессе прессования МПП неизбежно происходит ухудшение картины совмещения слоёв. В большей степени это обусловлено различиями в размерных изменениях экранных и сигнальных слоёв, а также слоёв из разных материалов. Например, в одной МПП могут сочетаться такие материалы, как FR4 и полиимид, или FR4 и высокочастотный материал на основе фторопласта.
Если в одном и том же месте на каждом слое МПП расположить круглую контактную площадку, то после прессования, если посмотреть МПП напросвет, эти контактные площадки образуют так называемую «ромашку» (рис. 6). Причем, диаметр «ромашки» тем больше, чем больше рассовмещение между слоями. Задачей изготовителя печатных плат является сверление отверстий в центрах «ромашек», образованных контактными площадками на разных слоях многослойной печатной платы. Попадание сверлом в центры контактных площадок на разных слоях МПП становится возможным только при выполнении следующих условий.
1. Формирование в заготовке МПП базовых отверстий под штифты с учетом величины смещения каждого из слоёв относительно «теоретического» (т.е. заданного при разработке платы) положения.
2. Установка базовых штифтов в заготовку с натягом на специализированной установке штифто-
вания.
3. Учет в рабочей программе сверления коэффициента усадки или растяжения МПП.
Формирование базовых отверстий под штифты выполняется посредством замера положения реперных знаков, расположенных на каждом слое МПП, обработки полученной информации и сверления отверстий в рассчитанных оптимальных координатах.
Системы замера положения реперных знаков бывают двух типов:
— на базе CCD-камеры;
— на базе рентгеновской трубки.
Установки формирования базовых отверстий в МПП, выполненные на базе CCD-камеры, являются более дешевыми по сравнению с установками, оснащенными рентгеновской трубкой. Однако заготовки МПП, подлежащие замерам на данной установке должны быть подготовлены определенным образом. А именно, все места расположения реперных знаков должны быть освобождены от меди на наружном слое и слой диэлектрика, расположенный между CCD-камерой и реперным знаком должен быть сокращен до минимума. Это объясняется тем, что диэлектрик значительно ухудшает видимость реперного знака для камеры, что неблагоприятно сказывается на точности измерения положения реперных знаков и как следствие на точности сверления базовых отверстий. Удаление меди и диэлектрика в обозначенных местах выполняют на установках вскрытия реперных знаков, оснащенных одним или несколькими фрезерными шпинделями, позволяющими фрезеровать медь и диэлектрик на заданную глубину.
Установки формирования базовых отверстий, оснащенные рентгеновской трубкой, не требуют никаких подготовительных операций. Заготовки МПП после прессования сразу помещаются в рабочую зону установки, и начинается процесс определения положения реперных знаков и сверления базовых отверстий (рис. 7).
Это значительно экономит время и исключает риск повреждения реперных знаков при механическом вскрытии.
После того, как базовые отверстия в заготовке МПП сформированы, необходимо выполнить установку в них базовых штифтов с натягом. Запрессовку штифтов в печатную плату, или пакет печатных плат, выполняют на установках штифтования. На рынке оборудования представлены установки для штифтования как одного, так и одновременно двух отверстий, с автоматической подачей штифтов.
Базирование штифтованной заготовки МПП на сверлильном станке осуществляется посредством призмы-паза. Один штифт устанавливается в призму и является «нулем» программы сверления, второй фиксируется пазом. Такая система базирования позволяет работать с заготовками МПП разных размеров с разными расстояниями между штифтами без переналадки станка.
Как уже говорилось ранее, в процессе прессования заготовка МПП претерпевает размерные изменения и для точного совпадения центра отверстия с центром контактной площадки эти изменения должны быть учтены в программе сверления. Другими словами программу сверления необходимо масштабировать, причем, коэффициенты масштабирования по разным сторонам заготовки будут разными. Это объясняется спецификой плетения стекловолокна базовых материалов, входящих в структуру МПП.
Коэффициенты масштабирования для конкретной заготовки МПП определяются установкой формирования базовых отверстий в процессе анализа положения реперных знаков.
После фиксации штифтованной заготовки МПП на сверлильном станке и загрузки в него масштабированной рабочей программы сверления — точность совпадения центров отверстий с центрами контактных площадок напрямую зависит от технических характеристик конкретного станка.
Помимо оборудования описанного выше существует отдельный класс оборудования, сочетающий в себе установку формирования базовых отверстий и сверлильный или сверлильно-фрезерный станок. Это оборудование конструктивно выполнено на базе сверлильного станка с дополнительно установленной CCD-камерой или рентгеновской трубкой (или обеими одновременно) и устройством для формирования базовых отверстий (рис. 8). Такая компоновка позволяет экономить рабочее пространство и обходится дешевле покупки отдельно установки формирования базовых отверстий и сверлильного или сверлильно-фрезерного станка. Также она позволяет без снятия заготовки с рабочего стола станка провести анализ положения реперных знаков на слоях и выполнить сверление по рабочей программе с автоматическим учетом размерных изменений слоёв по двум координатам. Вскрытие реперных знаков на станке, оснащенном CCD-камерой, производится в автоматическом режиме путем прецизионного сверления на заданную глубину.
При наличии нескольких сверлильных станков, заготовки МПП после формирования базовых отверстий на сверлильном станке, оснащенном CCD-камерой или рентгеновской трубкой, могут штифтоваться и устанавливаться на свободные станки (рис. 9).
В таблице 3 представлены характеристики оборудования для сверления, используемого в ОАО «НИЦЭВТ».
Заключение
Бесштифтовая технология совмещения внутренних слоёв и прессования МПП, используемая в ОАО «НИЦЭВТ» вот уже более трех лет, совместно с грамотно подобранным комплексом технологического оборудования для выполнения операций совмещения внутренних слоёв, прессования и сверления МПП дают отличные результаты при изготовлении плат 5-го и выше класса точности.
За это время были изготовлены почти все возможные типы печатных плат (рис. 10):
— МПП на базе FR4 и FR4 High Tg;
— комбинированные МПП из FR4 и высокочастотных материалов;
— СВЧ-платы, выполненные полностью из высокочастотных материалов, включая стеклоткань;
— МПП с внутренними теплостоками толщиной до 200 мкм;
— гибко-жесткие печатные платы;
— МПП, изготавливаемые за несколько циклов прессования;
— печатные платы на алюминиевом основании.
Во всех случаях оборудование, технология и персонал справились с поставленной задачей. Это подтверждается ежегодными периодическими испытаниями и отзывами наших заказчиков.
