Начальный курс производства электроники.
Часть третья. Многослойные печатные платы

Все статьи цикла.

До середины 1980‑х двухсторонние печатные платы составляли больший объем выпускаемых печатных плат, но появление высокоинтегрированных и более быстрых микросхем дало толчок развитию многослойной технологии межсоединений.

В третьей части курса описаны шаги, используемые при производстве шестислойной печатной платы с металлизированными сквозными отверстиями, маской поверх открытой меди, финишными покрытиями под пайку компонентов. Этот метод в силу его подавляющей распространенности называют базовым, или методом металлизации сквозных отверстий.

Для производства шестислойной печатной платы две тонкие фольгированные двусторонние заготовки с проводящим рисунком соединяются, чтобы образовать слои с номерами два, три, четыре и пять. Первый и шестой слои (внешние слои) образованы медной фольгой (таблица).

Технологические операции при изготовлении двухсторонних и многослойных печатных плат

Технологические операции при изготовлении двухсторонних и многослойных печатных плат во многом схожи: как только внутренние слои сформированы и спрессованы в единый блок, обработка МПП идентична обработке двухсторонней печатной платы. Во всяком случае, набор оборудования для изготовления МПП относительно ДПП добавлен прессом и линией очистки отверстий после сверления.

Шаг 1. Подготовка заготовок

Тонкие заготовки фольгированного стеклотекстолита, используемые для внутренних слоев, вырезаются из листа материала по размеру будущей заготовки многослойной печатной платы так же, как это было бы сделано для двухсторонней печатной платы [1]. Толщина платы, толщина медного слоя, производимый объем определяются заказчиком и учитываются при проектировании МПП. На заготовки внутренних слоев нанесены базовые отверстия, или реперные знаки, которые впоследствии служат средством для механического закрепления и совмещения проводящего рисунка (рис. 1).

Рис. 1. Схема эскиза групповой заготовки

Некоторые производители предпочитают формировать базовые отверстия после шага 4 (травления). Для этого на фотошаблонах (шаг 3) предусмотрен специальный набор реперных знаков для позиционирования фотошаблона. Когда элементы совмещения выполняются прямой засветкой фоторезиста на оптико-механическом оборудовании, реперные знаки появляются и используются на заготовках слоев после операции травления. Применение технологии совмещения позволяет повысить точность производства (рис. 2).

Рис. 2. Схема сборки и совмещения слоев в многослойную структуру

Шаг 2. Очистка

Заготовки внутренних слоев печатной платы очищаются, чтобы удалить любые загрязнения с медной поверхности. Данный процесс осуществляется химическими реактивами, или механическими средствами, или их комбинацией (рис. 3).

Рис. 3. Очистка поверхности заготовки струями моющего раствора

Кроме того, обретает популярность технология электрохимической очистки обратным электрическим током (деметаллизация). Эта технология напоминает технологию гальванического покрытия, но полярность тока изменена так, чтобы медь фольги, будучи анодом, растворялась.

Шаг 3. Формирование защитного рельефа рисунка проводников

Как и на односторонних печатных платах, проводники внутренних слоев изображаются с помощью резистивных материалов — сухого пленочного фоторезиста, трафаретной печати или жидкого фоторезиста. Чаще всего рисунок резистивных материалов закрывает проводники схемы, а на оставшихся открытыми участках медь будет вытравлена, то есть будет удалена нежелательная медь фольги (рис. 4).

Рис. 4. Фрагмент заготовки внутреннего слоя с защитным рельефом

Шаг 4. Травление проводящего рисунка

Заготовка травится в растворе хлорида меди или железа, который удаляет нежелательную медь. Затем резистивный слой убирают химически, и обнажается проводящий рисунок схемы.

Шаг 5. Контроль

Поскольку внутренние слои находятся в глубине многослойной печатной платы, наличие разрыва проводника или короткого замыкания приведет к браку, так как в этом случае ремонт многослойной печатной платы практически невозможен. В процессе производства заготовки внутренних слоев короткое замыкание на них может быть удалено. Иногда разрывы устраняют наваркой перемычки. Но в современных конструкциях МПП проводники настолько узкие, что визуально обнаружить короткие замыкания или разрывы на внутренних слоях весьма затруднительно. Поэтому для подобных ситуаций используется автоматический оптический контроль по внешним признакам (рис. 5).

Рис. 5. Общий вид рабочего места оптического контроля. AOI сканирует изображение, идентифицируя дефекты

Оборудование автоматической оптической проверки (Automatic Optical Inspection — AOI) способно обнаруживать и идентифицировать дефекты, которые нельзя определить визуально. В оборудовании AOI предусмотрены и возможности измерения, делающие его идеальным средством для ведения статистики качества и управления производственным процессом.

AOI сравнивает изображение заготовки с электронным проектом слоя. Эта технология выявляет дефекты подобно процедуре сравнения заготовок с эталонными печатными платами. Но эталонная печатная плата («золотая плата»), которая, как думают, не имеет дефектов, может все-таки содержать недостатки, если фотооригинал (фотошаблон), используемый при ее производстве, был испорчен. То есть все печатные платы могут точно соответствовать эталонной печатной плате, но вся партия будет дефектна.

Шаг 6. Обработка поверхности

Медный проводящий рисунок на внутренних слоях должен быть обработан, чтобы улучшить адгезию меди к стеклотекстолиту (рис. 6). Улучшенная адгезия увеличивает прочность конструкции и общую надежность печатной платы.

Рис. 6. Фрагмент заготовки внутреннего слоя c вытравленным рисунком

Самая обычная обработка — черная или коричневая окисная металлизация.

Шаг 7. Сборка слоев

На рис. 1 показан пакет слоев шестислойной МПП; рис. 7 повторяет построение многослойной конструкции МПП, но для упрощения — с четырьмя слоями.

Рис. 7. Чередование слоев и препрега для последующего прессования в многослойную структуру

Слои два и три сформированы травлением рисунка и оксидацией, как описано в шагах 1–6. Фольга, образующая первый и четвертый слои, помещена на вершину и основание пакета слоев, как видно на рисунке. Технологию создания многослойной конструкции называют сборкой слоев.

Частично отвержденный стеклотекстолит — препрег (промежуточный изоляционный слой между проводящими слоями) выбран в соответствии с конструкторской документацией. Он является связующим материалом между проводящими слоями, а поскольку отвержден лишь частично, высокая температура и давление заставляют его оплавляться и связываться с поверхностями заготовок внутренних слоев в процессе прессования.

Шаг 8. Прессование МПП

Собранные в пакет заготовки слоев и слоев препрега подаются в пресс (рис. 8). От плит пресса пакет изолирован листами алюминия или нержавеющей стали, а от них — выравнивающими прокладками, которые создают равномерное давление на пакет слоев и защищают поверхность медной фольги от возможности прилипания к прокладочным листам.

Рис. 8. Участок вакуумного прессования

Для эффективного удаления газов и летучих продуктов из пакета слоев применяется вакуумный отсос, такие прессы называют вакуумными.

При прессовании сначала включают вакуум для удаления оставшегося между слоями воздуха и газов, затем происходит горячее прессование, чтобы термореактивная смола в слоях препрега между проводящими слоями расплавилась и соединила вместе все слои платы.

После цикла прессования (который обычно длится около часа) печатные платы подаются в холодный пресс, где они находятся под давлением до полного остывания.

Шаг 9. Снятие механического напряжения

После прессования платы устанавливаются в стенды и направляются в печь для термообработки. Так как они были подвергнуты воздействию высокого давления и температуры, в их внутренней структуре сформировались механические напряжения, и, если их не снять, они могут деформировать плату. Термообработка в термошкафу снимает такие напряжения. Весь процесс продолжается несколько часов; при температуре +160 °C — обычно в течение двух-четырех часов.

Шаг 10. Формирование технологических отверстий и обрезание краев

Облой на краях заготовки обрезается на станке дисковой пилой с алмазной режущей кромкой, или на фрезерном станке, или любым другим способом. Операция обрезки позволяет не только убрать облой (наплывы вытекшей смолы), но и подровнять грубые и неровные края. Поскольку перед прессованием слои МПП собраны для совмещения и фиксации с помощью технологических штырей, находящихся на основании плит пресс-формы, заготовка платы будет иметь ряд отверстий по краям — на технологическом поле.

Существует две системы совмещения и фиксации слоев. В первом, традиционном случае, названном Pin-Lam, отверстия служат в качестве точек привязки для позиционирования платы на столе сверлильного станка. Эти отверстия также используются как базовые при обрезке плат по контуру.

Во втором случае, именуемом Mass-Lam, базовые отверстия формируются при помощи рентгеновского просвечивания, чтобы видеть реперные знаки на внутренних слоях. Ориентируясь по ним, можно сформировать базовые отверстия. Еще один метод создания технологических отверстий — фрезерование до метки реперного знака, расположенного на внутреннем слое. Тогда в рентгене нет необходимости.

И в том и в другом случае есть возможность симметрировать положение заготовки между реперными знаками и тем самым в два раза уменьшить погрешности совмещения.

Шаг 11. Сверление

Сверление МПП подобно сверлению двухсторонних печатных плат, за исключением того, что МПП должны иметь гладкие и четкие отверстия, без подтеков эпоксидной смолы, так как сверло, проходя через слои меди, стекла и эпоксидной смолы, очень сильно нагревается (до +400 °С), а эпоксидная смола расплавляется и размазывается по стенкам отверстия. Последующая металлизация отверстий должна образовать надежную связь с проводниками внутренних слоев, поэтому после сверления отверстия должны быть обязательно очищены от наплывов эпоксидной смолы, стружки и другого мусора.

Для того чтобы обеспечить высокую плотность компоновки элементов, МПП не только имеют меньшие размеры отверстий, чем двусторонние платы, но и, кроме сквозных отверстий, могут обладать большим количеством глухих отверстий для связи с ближайшими внутренними слоями. Это позволяет в значительной степени освободить трассировочное пространство для увеличения плотности трасс проводников (рис. 9).

Рис. 9. Виды отверстий в многослойной структуре МПП

Внутренняя структура МПП недоступна для визуального контроля, поэтому отсутствует возможность обычными способами проверить совмещение высверленных отверстий с контактными площадками внутренних слоев. Большинство производителей используют рентген, чтобы проконтролировать такое совмещение, а при необходимости — изменить программу сверления для более точного соединения отверстия с внутренними контактами.

Рис. 10. Многошпиндельный сверлильный станок

Есть несколько типов сверления, применяемых сегодня для изготовления отверстий в многослойных печатных платах. Самым привычным остается механическое сверление с помощью шпинделей (рис. 10), оснащенных индивидуальным сверлом и перемещающихся по оси Z (вверх и вниз), осуществляя сверление (рис. 11).

Рис. 11. Высокооборотный шпиндель для сверления отверстий малого диаметра

Этим же способом выполняются и глухие отверстия определенной глубины.

Современные технологии предлагают прибегнуть к помощи лазерного сверления. Основные типы лазеров, используемые сегодня, включают инфракрасные (CO₂) и ультрафиолетовые (УФ). Некоторые установки лазерного сверления сочетают оба типа.

Известны и другие технологии изготовления отверстий, например плазменное сверление и так называемые фотоотверстия, но широкого распространения они не получили.

Шаг 12. Снятие заусенцев

Для снятия заусенцев после сверления на МПП применяется тот же метод, что и на двухсторонних печатных платах [2], но здесь требуется особая осторожность из-за меньших размеров отверстий — меньшие отверстия сложнее очистить от стружки и других загрязнений.

Если отверстия забиты стружкой, выполнить металлизацию не удастся, поскольку электролит не сможет пройти через отверстие и медь на его стенках не осядет. Если толщина меди в отверстии мала, то контакт с внутренними цепями схемы будет очень плохим, а при отсутствии осаждения меди в отверстии — контакта вообще не будет. Таковы причины последующего отказа или брака, поэтому для удаления стружки из отверстий используется установка промывки высокого давления.

Шаг 13. Электролитическое осаждение меди

При изготовлении МПП необходимо несколько дополнительных технологических операций для полного осаждения меди. Эти операции требуются из-за наволакивания смолы, которое образовалось в результате интенсивного нагрева режущих кромок при сверлении и препятствует металлизации отверстия присоединиться к торцам проводников на внутренних слоях, создавая разрыв цепи. Наволакивания эпоксидной смолы удаляются перед электролитическим осаждением меди путем погружения печатной платы в серию химических растворов. Такая задача может быть решена и обработкой в плазме сухими химическими реактивами фторуглерода и кислорода. В мировой практике данные технологии известны как desmearing.

После удаления наволакиваний МПП металлизируются таким же образом, что и двухсторонние платы.

Шаг 14. Формирование проводящего рисунка

Формирование проводящего рисунка на внешних слоях МПП и двухсторонних печатных платах идентично. Однако требуется более высокая точность, поскольку маленькие размеры контактных площадок и большое число слоев МПП затрудняют совмещение проводящих рисунков. Из-за высокой плотности проводящего рисунка необходим контроль загрязненности атмосферы цеха, и частицы пыли и человеческих волос должны быть отфильтрованы. Контроль статического электричества, температуры и влажности не менее важен на участке, где наносится проводящий рисунок. Поэтому фотолитографические процессы должны проходить в условиях «чистых комнат», снабженных системами тонкой очистки от пыли и поддержания в воздухе температуры и влажности в узких пределах (+21 ±1) °С, (60 ±5)% соответственно.

Шаг 15. Металлизация отверстий

С повышением числа слоев и уменьшением диаметра отверстий отношение толщины печатной платы к диаметру отверстия значительно увеличивается. В этом случае требуются специальные технологии для осаждения в отверстии равномерного покрытия приемлемой толщины. Специально разработанные системы перемешивания и методы продавливания электролита через сквозные отверстия улучшают однородность металлизации. Кроме того, созданы специальные добавки к электролитам, увеличивающие однородность и качество металлизации в узких отверстиях (рис. 12).

Рис. 12. Схема гальванической (электрохимической) металлизации:
А — гальваническая ванна;
В — опоры покачивающейся катодной штанги;
R — катод, на котором восстанавливаются ионы Cu2+ до металлического состояния;
E — растворимый анод;
PCB — печатная плата — объект металлизации;
Е — поток электронов;
V — источник питания

Относительно недавно появился новый способ металлизации, который назван «импульсная металлизация» (рис. 13). Для нанесения гальванического покрытия в этом способе используется импульсный, а не постоянный ток. Импульсы тока изменяют полярность, что позволяет электролиту периодически обновляться на поверхности отверстия. Изменяя длительность импульса и его силу, можно подобрать режим, в котором металлизация может быть выполнена быстрее, чем постоянным током. Некоторые установки импульсной металлизации генерируют очень короткий «обратный» импульс, который помогает очистить медную поверхность и получить очень гладкое и равномерное по толщине медное покрытие в отверстии.

Рис. 13. Эпюра импульсного тока питания гальванической ванны

Для избирательного травления рисунка печатных проводников поверх меди наносится какой-либо металлорезист, чаще всего эвтектический гальванический сплав олова и свинца или чистое олово.

Шаг 16. Травление меди и удаление защитного покрытия

Наружные слои МПП используются для размещения монтажных элементов, в том числе довольно часто для печатных проводников, вот почему насыщенность их очень велика. Вследствие этого ширина проводников и расстояния между ними чрезвычайно малы, а потому травление рисунка проводников — операция весьма ответственная. Качество ее выполнения оценивается фактором подтравливания [1]. Наиболее эффективная технология травления такого рисунка выполняется по методу анизотропного травления [3]. Требуется также высокая точность для удаления защитного покрытия с расположенного под ним проводящего рисунка, опять-таки из-за очень тесного расположения проводников.

Шаг 17. Контроль

Из-за очень плотного рисунка проводников и промежутков между ними целесообразно применение оборудования автоматической оптической инспекции (Automatic Optical Inspection, AOI) на МПП высокого класса точности. Это оборудование позволяет обнаружить дефекты, которые потом можно исправить на ремонтной станции.

Шаг 18. Нанесение паяльной маски

На наружном слое современных МПП печатные элементы размещены настолько плотно, что нанесение паяльной маски методом трафаретной печати не подходит, так как данная технология не обеспечивает необходимой точности. Поэтому для нанесения маски используется жидкий фоторезист — жидкая фотопроявляемая паяльная маска с ультрафиолетовым отверждением.

Шаги 19–24. Нанесение финишного покрытия

Кроме особой осторожности, требующейся для изготовления многослойных плат с плотным наружным рисунком, последующие операции для них не имеют отличий от операций изготовления двухсторонних печатных плат [1].

Разновидности процессов и продуктов

Технологии, рассмотренные в данной статье, представляют собой методы, обычно используемые в международной практике для изготовления многослойных печатных плат.

Единственная разница в последовательности обработки платы зависит от типа изготавливаемых отверстий, которые называются «глухие» и «переходные» отверстия (рис. 14).

Рис. 14. Структура трансверсальных переходов в МПП с высокой плотностью межсоединений

Глухие отверстия — металлизированное отверстие не проходит сквозь всю толщину платы, а заканчивается на каком-либо внутреннем слое.

Переходные отверстия — покрытое металлом сквозное отверстие находится на каком-либо внутреннем слое, но не выходит ни на один внешний слой.

Производство МПП с переходными отверстиями не считается трудным. Внутренние слои могут быть обработаны как обычные двухсторонние печатные платы с металлизированными сквозными отверстиями, а затем спрессованы в составе многослойной печатной платы. Тогда внутренние отверстия окажутся переходными. Глухие отверстия, однако, требуют способности оборудования сверлить на определенную глубину печатной платы, но не глубже, чем предусмотрено технологией. Для этого нужны специальные сверлильные станки, само сверление глухих отверстий более дорогое, чем сквозное сверление, так как платы для обработки нельзя складывать стопкой на столе сверлильного станка, и это уменьшает производительность сверления. Кроме того, для металлизации глухих отверстий требуются определенные методы, гарантирующие качественное соединение с элементом внутреннего слоя. Но поскольку плотная компоновка на плате высокоинтегрированных микросхем предполагает большое количество соединений, число разработок, использующих глухие и переходные отверстия, увеличивается.

Иллюстрированная последовательность операций

На иллюстрациях показан процесс изготовления многослойной печатной платы от этапа подготовки материала до этапа нанесения финишных покрытий.

1. Фольгированный стеклотекстолит

2. Нанесение и проявление фоторезиста. Открытая медь будет стравлена

3. Травление. Удаление фоторезиста и очистка поверхности

4. Сборка слоев. Четырехслойная структура. Толщина фольги, тип прослойки и размер платы определяются проектом

5. Прессование. Высокая температура плавит связующее в препреге, который под давлением соединяет слои вместе

6. Сверление. Расположение отверстий и их размеры задаются программой обработки

7. Предварительная металлизация сквозных отверстий. После очистки отверстий от продуктов сверления осаждается тонкий слой меди

8. Нанесение и проявление фоторезиста. Будущие проводники оставляются открытыми

9. Электролитическое осаждение меди до толщины 25–30 мкм

10. Электролитическое нанесение металлорезиста. Олово или сплав олова со свинцом наносится поверх меди

11. Удаление фоторезиста. Обнажается медная поверхность

12. Травление рисунка. Открытая медь стравливается, оставляя медный рисунок под металлорезистом нетронутым

13. Удаление металлорезиста. Олово или сплав олова со свинцом удаляется химическим путем

14. Нанесение паяльной маски

15. Нанесения финишного покрытия, в данном случае — слоя припоя