Технологии в электронной промышленности №1'2009

Перспективные технологии и материалы для разработчика многослойных печатных плат

Аркадий Медведев

Так была озаглавлена презентация итальянской компании Cistelaier, проведенная в рамках семинара фирмы PCB technology в Москве 3 декабря. Компания Cistelaier выступает на рынке печатных плат как производитель сложных многослойных плат. В условиях жесткой конкуренции с компаниями Юго-Восточной Азии она намеренно заняла нишу быстрого прототипного высокотехнологичного производства с возможностью реализации заказов, начиная от схемотехнических проектов печатных плат.

Cочетание высокого технологического уровня производства с обеспечением большой скорости обработки на основных этапах изготовления печатных плат позволило компании с большой уверенностью работать в нише прототипного производства электроники различного назначения.

В компании работают 130 человек, из них 10% занимаются технологической подготовкой производства.

Среднесуточная производственная мощность — 2500 типовых плат размером 366x233 мм, со средним и высоким уровнем сложности.

В среднем 70% текущего производства занято изготовлением многослойных и гибко-жестких печатных плат.

Компания Cistelaier аттестована по ISO 9001 и Лабораторией Страховщиков по UL94 V-0 и UL796 DSR. Приведем другие стандарты, которые использует Cistelaier: MIL-P-55110 (военный стандарт для жестких плат) и MIL-P-50884 (военный стандарт для гибко-жестких плат).

Все печатные платы производятся в соответствии со стандартом IPC A600RevG по третьему классу требований (для аппаратуры ответственного назначения).

Дополнительно Cistelaier использует новую систему обеспечения качества применительно к требованиям четырех стандартов. Это:

  • автомобильный — ISO/TS16949:2000;
  • железнодорожный стандарт промышленности — IRIS;
  • космический — UNI EN 9100:2005;
  • медицинский — UNI EN ISO 13485:2004.

Кроме того, Cistelaier планирует в 2009 году получить аккредитацию NadCap (National Aerospace and Defence Contractors Accreditation Program — общая программа стандартизации и аккредитации производителей в аэрокосмической и военной промышленности и родственных отраслях).

Cistelaier предлагает заказчику широкий ряд печатных плат, изготовленных из стандартного FR4 или высокотехнических материалов, таких как Polyimide, Teflon, Kapton, Thermount, Rogers:

  • многослойные платы с назначенным импедансом межсоединений и пригодные для впрессовывания выводов в отверстия (технология PressFit);
  • гибко-жесткие и гибкие платы;
  • многослойные и гибко-жесткие платы из комбинации материалов (Kapton + Thermount, Rogers, материалы с высокой температурой стеклования — HTg);
  • многослойные платы с высокой плотностью межсоединений (HDI-платы с глухими и слепыми отверстиями);
  • многослойные платы с послойным наращиванием слоев (SBU-платы со структурой 3N3);
  • теплоотводящие слои (внутренний и внешний);
  • печатные проводники большой толщины (от 210 до 500 мкм);
  • платы на алюминиевом основании: односторонние, двусторонние и многослойные.

Опытные образцы изготавливаются достаточно быстро. Это не зависит от вида и сложности плат. Вот некоторые примеры сроков поставок:

  • многослойные — до 2 рабочих дней;
  • многослойные HDI с лазерными microvias в структуре 1+N — до 3 рабочих дней;
  • многослойные HDI с лазерными microvias в структуре 1+N+1 — до 4 рабочих дней;
  • многослойные HDI со слепыми отверстиями (Burried Vias) — до 4 рабочих дней;
  • многослойные HDI с лазерными microvias в структуре 1+BV+0 — до 5 рабочих дней;
  • многослойные HDI с лазерными microvias в структуре 1 слой лазерных microvias + Burried Vias + 1 слой лазерных microvias (1+BV+1) — до 6 рабочих дней;
  • многослойные гибко-жесткие — до 4 рабочих дней;
  • многослойные гибко-жесткие с лазерными microvias в структуре 1+RF — до 5 рабочих дней;
  • многослойные гибко-жесткие со структурой: 1 слой лазерных microvias + Burried Vias — до 5–6 рабочих дней.

Импорт и доставка плат по России, по словам представителя PCB technology, занимает еще 2–3 дня, что предоставляет заказчикам возможность изготовления опытных образцов в беспрецедентно короткие сроки.

Производство печатных плат состоит из многих операций: химических, механических и даже электрических. Стратегия компании Cistelaier состоит в том, чтобы создать избыточность на всем потоке процесса, иметь несколько типов различного оборудования, работающего параллельно, чтобы сохранять непрерывность производства и гарантировать требуемый сервисный уровень, обещанный заказчикам. Некоторые из этих операций могут быть определены как технологические и содержать несколько ключевых особенностей, которые обеспечивают уверенность в своевременном исполнении заказов.

Основные принципы производства состоят в том, чтобы:

  • заказы выполняли высококвалифицированные специалисты,

  • основные операции осуществлялись на высокотехнологическом современном оборудовании, доступном только ограниченному кругу производств,

  • заказчику предлагались только изделия гарантированно высокого качества,

  • постоянно обновлялись технологии и оборудование вслед за их появлением.

Следуя принципам современного технологического оснащения, компания Cistelaier имеет в своем производстве:

  • рабочую станцию CAD-CAM и фотоплоттер;
  • лазерную систему прямого формирования рисунка на внутренних и внешних слоях;
  • специализированные конвейеры в линии DES для обработки тонких и гибких слоев;
  • автоматическую лазерную инспекцию;
  • рентгеновскую систему совмещения слоев;
  • лазерное сверление;
  • механическое сверление;
  • плазмохимическую очистку отверстий;
  • прессы;
  • автоматические системы экспонирования;
  • автоматическую оптическую инспекцию;
  • автоматическую линию металлизации;
  • конвейер для обработки тонколистовых материалов в SES-линии (для гибких и тонких внешних слоев);
  • все виды финишных покрытий, отвечающие различным требованиям заказчика;
  • системы автоматического управления процессами и диспетчеризацией движения заказов в производственном потоке;
  • тестеры с летающими щупами.

Подготовка производства

Рабочая САМ-станция содержит несколько различных инструментальных средств, среди которых Genesis и Frontline (Orbotech) для обработки ODB++ формата данных.

В качестве фотоплоттеров используются графопостроители Silver Writer фирмы Barco с высоким разрешением (25 мкм), один из них — последней модели: Silver Writer 860 (24 000 dpi, с 24 лазерными лучами).

Наслоение фоторезиста

Ламинатор для нанесения сухого пленочного фоторезиста на внутренние слои имеет устройство для автоматического обрезания пленки по периметру заготовки. На этой операции используется фоторезист, сенсибилизированный под процесс прямого лазерного формирования изображения рисунка плат.

Второй ламинатор автоматически настраивается на различную толщину заготовок и используется для нанесения пленочного фоторезиста на внешние слои заготовок толщиной до 7,5 мм.

Все процессы фотолитографии размещены в общих помещениях с вакуумной гигиеной класса «100.000» с контролируемой температурой и влажностью.

LDI-система

Система прямого лазерного изображения (Laser Direct Imaging) использует две единицы оборудования для лазерного сканирования: DP-100, Orbotech (Израиль), одна из них основана на твердотельном лазе (“Paragon” system).

Система имеет широкое технологическое окно. Она может использоваться на внутренних и внешних слоях, гибких материалах и SBU-платах.

Система LDI обеспечивает высокое разрешение: минимальная ширина проводника и зазора — 35 мкм. Точность совмещения рисунка с двух сторон — ±10 мкм. Система не нуждается в фотошаблонах и поэтому быстро перенастраивается.

Из-за высокого разрешения система LDI размещена в отдельном боксе с классом чистоты «1000» в общем помещении с классом чистоты «10.000».

Конвейерные линии

Линии струйной обработки сконструированы под обработку тонких материалов толщиной до 50 мкм, имеют систему автоматического дозирования и регенерации растворов, что обеспечивает максимальную устойчивость и воспроизводимость процессов.

Автоматическая оптическая инспекция

На операции автоматической оптической инспекции (АОИ) используются две идентичных установки Spiron8800, Orbotech (Израиль), работающие параллельно в отраженном и УФ-флюоресцирующем режимах. Установки настроены на различение дефектов рисунка с шириной зачернений и просветов в 35 мкм.

Участок прессования

Оборудование прессового участка Cistelaier способно прессовать весь ряд используемых материалов: от нормального FR4 до комплекса МПП со смешанными материалами. Один из прессов предназначен для прессования чистого фторопласта (Teflon), полиимида и других материалов, требующих высокой температуры прессования. Все оборудование полностью автоматизировано и управляется по различным параметрам цикла прессования (форма цикла, температура, давление, запоминание режимов удачных циклов и т. д.).

Два четырехэтажных автоматических пресса фирмы Lauffer с масляным нагревом и автоматической загрузкой/выгрузкой способны развивать температуру прессования до 250 °С. Они имеют зону холодного прессования для увеличения производительности и улучшения управления режимом охлаждения, что очень важно для обеспечения размерной стабильности и уменьшения коробления плат.

Еще два двухэтажных пресса фирмы Lauffer (рис. 1) с масляным нагревом предназначены для прессования высокотемпературных материалов, они способны развивать температуры прессования до 350 °С. Размер заготовки — 1000x610 мм.

Третья группа прессов предназначена для обеспечения нужной производительности. Они имеют автоматическую загрузку и выгрузку, автоматическое управление режимами прессования, режим вакуумного прессования. Эта группа содержит два горячих и два холодных пресса для формата заготовок 610x457 мм, они могут быть использованы для опрессовки гибких и гибко-жестких плат.

Лазерное сверление

Для сверления глухих отверстий применяется оборудование DrillStar GS-600 фирмы GSI Lumonics (Канада). Две лазерных головки — YAG (твердотельный лазер) и CO2-ла-зер — работают параллельно. Производительность (диэлектрик, 1 лист «1080», фольга 17 мкм, отверстие диаметром 100 мкм): 45-50 отверстий в секунду. Типичные диаметры глухих отверстий — 100-150 мкм, минимальный диаметр — 75 мкм, отношение диаметра к глубине отверстия ≤1.

Механическое сверление

Для механического сверления используются станки известных фирм: Pluritec, Excellon, Posalux, Schmoll. Среди них хорошо себя зарекомендовали станки Posalux Ultraspeed 6000-LZ и Schmoll MX-2 220S.

    Достоинства Posalux Ultraspeed 6000-LZ:
  • 6 шпинделей 180 000 об./мин;
  • в среднем 300-400 ударов в минуту;
  • три линейных двигателя по X-Y-Z осям;
  • минимальный диаметр сверления — 0,1 мм;
  • возможность сверления слепых отверстий с управляемой глубиной;
  • магазин инструментов для обеспечения непрерывной способности к сверлению.
  • Достоинства Schmoll MX-2 220S:
  • 2 шпинделя со скоростью вращения головки шпинделя 180 000 об./мин;
  • система автоматического контроля глубины сверления;
  • 300-400 ударов в минуту (в среднем);
  • три линейных двигателя по осям X-Y-Z;
  • минимальный диаметр сверления 0,1 мм;
  • точность позиционирования сверла — ±15 мкм;
  • автоматическая загрузка/выгрузка заготовки.

Рентгеновская система совмещения слоев

Используется оборудование Inspecta Diamond фирмы Pluritec (Италия). Система регистрирует совмещение слоев заготовки после прессования, просвечивая четыре реперных знака, вытравленных на внутренних слоях, измеряет и усредняет их рассовмещение и высверливает два фиксирующих отверстия по центральной оси заготовки.

Все 100% многослойных плат подвергаются такой процедуре, как регистрация данных с целью корректировки процесса для увеличения точности совмещения.

Плазмохимическая очистка отверстий

Очистку осуществляют с помощью установки Europlasma CDX фирмы Europlasma (Бельгия).

В процессе плазменной очистки диэлектрических поверхностей для последующих процессов металлизации используется газовая смесь: фреон, кислород, азот и водород в различных пропорциях под высоким вакуумом (0,2–0,4 мм рт. ст.).

Есть три различных плазменных цикла очистки применительно к обработке различных групп материалов:

  • Teflon + группа основных материалов;
  • Kapton с акриловым покрытием (Pyralux LF);
  • Rogers 4350 (не Teflon) и полиэфиры.

Экспонирование

В «чистой» комнате (класс «100.000») с контролируемой средой установлены две системы экспонирования FAPS600 POK фирмы Bacher, специализированные под экспозицию внутренних и внешних слоев. Эти системы встроены в линию, работают полностью в автоматическом режиме и воспроизводят проводники шириной до 75 мкм. Точность совмещения рисунка с двух сторон — ±10 мкм.

Автоматическая лазерная инспекция

Для контроля заготовок из материалов Kapton, Rogers, Polyimide или глухих отверстий используются в параллель две установки Blaser-AP фирмы Orbotech. Работа Blaser-AP основана на физическом принципе вынужденной флюоресценции. Эти две установки работают от одного лазерного источника с расщеплением луча и для увеличения производительности одновременно сканируют три участка изображения. Установки лазерной инспекции способны контролировать изображения после проявления и травления, до и после металлизации рисунка.

Автоматическая гальваническая линия

Cistelaier инвестировала большие средства в высокоавтоматизированную гальваническую линию фирмы PAL. Кроме традиционных средств автоматизации она снабжена автоматизированной загрузкой и выгрузкой заготовок. Эта линия оснащена реверсивным импульсным источником питания и выравнивающими экранами.

Автоматическая линия травления рисунка

Горизонтальная линия фирмы HollMuller специализирована под процессы обработки внешних слоев плат: снятия фоторезиста, травления, стравливания металлорезиста (Strip-Etch-Strip). Линия снабжена системой автоматического управления всеми режимами обработки с регенерацией растворов.

Это оборудование предназначено для формирования проводящего рисунка на наружных слоях, укомплектовано компьютерным управлением всеми параметрами процессов, позволяющим воспроизводить и тонкие линии, а также осуществлять глубокое травление рисунка в толстых слоях меди.

Аналитические приборы и средства

Производство печатных плат сопровождается анализом и контролем состояния по всему циклу изготовления на всех технологических операциях. Ведется и постоянный статистический контроль, позволяющий вовремя упредить отклонения процесса от нормального состояния и провести необходимую корректировку. Это дает возможность гарантировать высокое качество и надежность и снизить издержки производства.

Среди традиционных приборов и средств используются:

  • ионный измеритель загрязненности (Ionic contamination — Multicore);
  • рентгеновский регистратор отверстий после сверления (Hole registration after drilling by X-rays);
  • измеритель волнового сопротивления линий связи (Controlled impedance CITS500s — Polar Instruments);
  • измеритель толщины металлизации (Metallic layers thickness by X-rays — Fisherscope);
  • спектрофотометр (Spectrophotometer UV/VISIBILE — Perkin Elmer);
  • атомно-абсорбционный анализатор (Atomic Absorptiometer — Unicam);
  • оптоэлектронные средства экологического мониторинга.

Финишные покрытия (покрытия под пайку и контактные покрытия)

Производство Cistelaier реализует все виды покрытий, затребованных рынком, включая покрытия под бессвинцовую пайку:

  • HASL (Hot Air Solder Leveling — облуживание с выравниванием припоя горячими воздушными ножами) — горизонтальная линия;
  • HASL с облуживанием бессвинцовыми припоями — вертикальная линия;
  • Electroless Nickel-Gold (ENIG) — иммерсионное золочение по химическому никелю;
  • Immersion Tin — иммерсионное олово;
  • Immersion Silver — иммерсионное серебро;
  • Electrolytic Hard Gold — гальваническое золочение для контактных покрытий;
  • Pure Gold for wire bonding — гальваническое золочение для микросварки;
  • OSP (Organic Surface Protection) — органическое защитное покрытие (ингибитор коррозии).

В настоящее время наиболее часто применяют такой метод покрытия контактных площадок, как горячее облуживание: контактные площадки покрываются слоем металлургического сплава олово-свинец. Толщина покрытия — 1–40 мкм.

При использовании HASL с вертикальным погружением платы закрепляются по одной из сторон, и погружение в ванну идет параллельно двум сторонам платы. Тогда контактные площадки, направление которых перпендикулярно «воздушному ножу», обычно имеют слишком тонкий слой припоя, что может вызвать проблемы при пайке, а с площадок, параллельных ножам, плохо сдувается припой, и они покрываются слишком толстым слоем припоя, что может привести к проблемам при установке мелких компонентов. Другим недостатком вертикального погружения является разница во времени пребывания в припое верхней и нижней части платы. Нижняя часть платы может находиться в расплавленном припое на 4–5 секунд дольше, чем верхняя. Это приводит к неравномерности диффузии меди в покрытие и неравномерности паяемости.

При использовании горизонтального HASL платы могут быть размещены на конвейере под углом 45°, что обеспечивает более равномерную толщину покрытия. Обычно вертикальный HASL применяется только для печатных плат, в которых нет мелких поверхностно-монтируемых элементов.

Покрытия по технологиям HASL обеспечивают отличную паяемость печатной платы, однако они не удовлетворяют условиям плоскостности контактных площадок под микросхемы с очень высокой степенью интеграции (например, fine-line BGA), а натеки припоя на контактные площадки не позволяют устанавливать на них мелкие компоненты типа 0603 и менее.

    Достоинства:
  • Наиболее традиционный метод покрытия, хорошо отлаженная технология нанесения и дальнейшего использования плат.
  • Отличная паяемость и хорошая прочность паяных соединений.
  • Пайки выдерживают многократное термо-циклирование.
  • Недостатки:
  • Наплывы припоя на контактных площадках, приводящие к дефектам при сборке.
  • Не подходит для плат с большим соотношением толщина платы/диаметр отверстия.
  • Не подходит для компонентов с шагом менее 0,5 мм.
  • Плата испытывает нагрев до высокой температуры, что может привести к ее термодеструкции и деформации.
  • Возможны замыкания контактных площадок компонентов с малым шагом.
  • Неравномерная толщина покрытия для контактных площадок разного размера.

Иммерсионные покрытия

В отличие от химического осаждения, при иммерсионном нанесении электроны поступают из основного металла (подслоя меди или никеля). Таким образом, иммерсионный процесс является самоограничивающимся. Как только медь покрывается целиком, процесс останавливается.

Иммерсионное золото

Покрытие может наноситься до или после нанесения паяльной маски.

Возможно нанесение иммерсионного золота как по чистой меди, так и по подслою химического никеля. При этом золото обеспечивает отличную паяемость, а никель служит барьером между медью и слоем золота, что предотвращает окисление и увеличивает время хранения печатной платы.

Слой иммерсионного золота — ровный, компактный и мелкокристаллический. Он имеет хорошее сцепление с подслоем химического или электрохимического никеля и хорошо паяется с малоактивными флюсами. Эти характеристики особенно важны при сборке печатных плат. Толщина покрытия — 0,05–0,2 мкм.

    Достоинства:

  • Плоская поверхность.
  • Равномерная толщина.
  • Пайки выдерживают многократное термо-циклирование.
  • Длительный срок хранения.
  • Хорошая паяемость.
  • Не влияет на размер отверстий.
  • Подходит для установки компонентов с малым шагом.
  • Недостатки

  • Относительно высокая стоимость.
  • Не оптимально для плат с высокими скоростями сигналов из-за наличия подслоя никеля.
  • Возможно появление дефектов типа “black pad”.

Иммерсионное олово

Процесс нанесения иммерсионного олова, по большому счету, схож с процессом нанесения иммерсионного золота. Однако диффузия меди в тонкий иммерсионный слой олова быстро приводит к потере паяемости. Олово как бы «отравляется» внедрением меди с образованием хрупких непаяемых интерме-таллидов. Поэтому в последнее время между подслоем и иммерсионным оловом стали вводить барьерный разделительный слой, предотвращающий процесс диффузии. Чаще всего используют органический металл — полимер, имеющий электронную проводимость. Этот слой не мешает обмену электронов для протекания иммерсионного процесса, но служит диффузионным барьером для предотвращения образования интерметаллидов. Толщина покрытия — 0,6–1,5 мкм.

    Достоинства:

  • Подходит для установки компонентов с малым шагом.
  • Плоская поверхность.
  • Не содержит никель.
  • Сравнительно недорогое покрытие.
  • Не влияет на размер отверстий.
  • Можно использовать те же паяльные пасты, что и для плат с покрытием HASL.
  • Недостатки:

  • Не выдерживает многократный монтаж/демонтаж элементов.
  • Платы требуют осторожного обращения.

Иммерсионное серебро

Данный процесс тоже похож на процесс нанесения иммерсионного золота. Толщина покрытия — 0,05–0,1 мкм.

    Достоинства:

  • Подходит для установки компонентов с малым шагом.
  • Плоская поверхность.
  • Не содержит никель.
  • Дефекты типа “black pad” отсутствуют.
  • Не влияет на размер отверстий.
  • Длительный срок хранения.
  • Достаточно простой процесс нанесения.
  • Сравнительно недорогое покрытие.
  • Хорошо подходит для плат с высокими скоростями сигналов.
  • Недостатки:

  • Высокий коэффициент трения, не оптимален для монтажа элементов методом запрессовки (press fit).
  • Покрытие может тускнеть со временем.

Органические защитные покрытия

Альтернативой покрытию металлами являются органические защитные покрытия (OSP — organic solderability preservatives). Они обеспечивают очень плоскую поверхность, поэтому не возникает замыкания контактов элементов с большой степенью интеграции. И стоимость OSP гораздо меньше, чем у покрытий никелем или золотом. Применение OSP позволяет в дальнейшем при пайке использовать флюсы, смываемые водой, или бе-зотмывные флюсы. К тому же, этот процесс экологически более безопасен. Тесты показали, что при нормальных условиях хранения, печатные платы, покрытые OSP, сохраняют паяемость более одного года. Толщина покрытия — 0,2–0,6 мкм.

    Достоинства:

  • Плоская поверхность.
  • Не влияет на размер отверстий.
  • Быстрый, достаточно недорогой процесс нанесения.
  • Хорошая прочность паяных соединений (по некоторым данным лучше, чем для плат с покрытием HASL и иммерсионным золотом).
  • Недостатки:

  • Может потребоваться переналадка сборочной линии.
  • После сборки могут оставаться места с открытой медью (например, тестовые точки).
  • Ограниченная устойчивость паек к воздействию термоциклирования.
  • Чувствительно к растворителям, которые применяются для удаления неправильно нанесенной паяльной пасты.
  • Покрытие OSP не обеспечивает возможность повторной пайки.
  • При электротестировании платы тестовые щупы прокалывают покрытие, что может привести к появлению участков открытой меди.

Электрическое тестирование

Для обеспечения 100% уверенности в качестве своей продукции в производстве Cistelaier все платы подвергаются электрическому тестированию. Для партий малого объема используются тестеры с «летающими» щупами:

  • один тестер Mania Speedy (по 2 зонда на сторону);
  • один тестер Mania Speedy XL (способен тестировать крупноформатные платы размером до 900 мм);
  • один тестер Mania Pegasus (по 2 зонда на сторону);
  • один тестер ATG A5 (тестер последнего поколения) с 4 зондами на сторону (рис. 2);
  • два тестера ATG A3 (4 зонда на сторону);
  • Seica LS24 с 2 зондами на сторону снабжен системой автоматической загрузки и выгрузки тестируемых плат. Благодаря этой функции он способен непрерывно работать 24 часа в сутки.

В дополнение к средствам «быстрого» тестирования в производстве имеются три единицы тестирующего оборудования с контактным полем («ложе гвоздей») для тестирования массовой продукции.

Платы высокой плотности межсоединений

Общемировая тенденция развития электроники, начиная с 1940 г., неизменно связана с постоянным увеличением интеграции элементной базы и с соответствующей ей технологией печатного монтажа (рис. 3).

Производство Cistelaier, следуя этим тенденциям, постоянно обновляется, чтобы соответствовать требованиям развивающейся техники межсоединений высокоинтегрированных компонентов. Появившиеся в последнее время компоненты типа BGA, CSP, COB и SiP (sys-tem-in-package) с малыми шагами присоединения обуславливают дальнейшее увеличение плотности межсоединений. В связи с этим в области печатных плат появились новые технологии, обозначенные в Европе как HDI (High Density Interconnects — высокоплотные соединения), в Японии как “build-up board” (платы с надстройкой в виде послойного наращивания) и в США как SBU — “sequential build-up” (последовательное наращивание) или “microvia technology” (технология микроотверстий). Эти технологии обеспечивают воспроизведение более тонких проводников и зазоров (меньше 100 мкм), отверстия диаметром 0,15 мм с контактными площадками меньше 0,4 мм, что в результате дает плотность размещения элементов присоединения компонентов больше 20 на квадратный сантиметр.

Производство HDI-плат имеет свои особенности

В первую очередь проекты таких плат непременно требуют ревизии с использованием CAD-CAM-программ, чтобы адаптировать проектные решения к особенностям и индивидуальностям производства. Использование DFM-анализа (Design For Manufacture — конструирование для производства) позволяет вовремя выявить состоятельность проекта и гарантировать отсутствие несуразностей в ходе производства. DFM-анализ включает проверку трасс проводников и зазоров по заданным критериям, незаконченные трассы, сбалансированность медных областей, очистку маршрута, поле сверления, рисунок покрытия паяльной маской, соблюдение требований к импедансу линий связи и много других ограничений, которые влияют на технологичность плат.

В плане реализации производства HDI-плат компания Cistelaier освоила технологию последовательного наращивания (SBU) со структурой 3N3, включающей глухие и слепые отверстия, проводники шириной 50 мкм с заданным импедансом. Совмещение слоев осуществляется на основе использования рентгеновской установки. Контроль по признакам внешнего вида выполняется на лазерной автоматической установке. Глухие отверстия меньше 75 мкм формируются лазером.

Кроме этого, решены проблемы травления рисунка из толстой фольги (от 210 до 400 мкм), освоены технологии монтажных подложек на алюминиевом основании, гибких и гибко-жестких печатных плат.

Некоторые технические детали, характеризующие возможности производства компании Cistelaier:

  • металлизация тонких отверстий диаметром 0,15 мм с соотношением толщина/диаметр — порядка 16;
  • лазерное сверление глухих отверстий диаметром 0,075 мм с соотношением меньше 1;
  • ширина проводников и зазоров 0,05 мм с точностью воспроизведения ±10%;
  • слойность: стандартно — 24 слоя, по заказу— 32 слоя;
  • минимальная толщина внутреннего слоя — 0,05 мм с толщиной фольги 9 мкм;
  • минимальная толщина межслойной изоляции 0,05 мм (один лист препрега 50 мкм (1x106));
  • минимальная толщина гибкой платы из материала Kapton — 0,05 мм (по заказу — 0,025 мм);
  • воспроизводимость рисунка паяльной маски, наносимой занавесом или трафаретной печатью — 100 мкм (70 мкм — по заказу);
  • максимальная толщина печатной платы — 5,5 мм;
  • максимальные размеры печатных плат:
    • одиночные или в групповой заготовке — 464x566 мм,
    • возможно изготовление плат на заготовке размером 950x464 мм.
  • Залогом успеха, прежде всего, является правильный выбор материала:

  • Для высокочастотных плат важно выбрать материал с низкой диэлектрической проницаемостью и низким тангенсом угла потерь.
  • Материалы с высокой термоустойчивостью приходится использовать применительно к бессвинцовым технологиям монтажа, отличающимся высокой температурой пайки. Эти материалы отличаются высокой температурой стеклования Tg.
  • Не все материалы однозначно поддаются лазерному сверлению.
  • Уменьшенное содержание стекла улучшает диэлектрические свойства материала.
  • Для силовых плат требуется тонкий материал с хорошей электрической прочностью.
  • Появился широкий ряд материалов для формирования в составе плат резисторов и конденсаторов.

Базовые материалы

Компания Cistelaier в своем производстве использует материалы, позволяющие реализовать любые проекты заказчика.

Стандартные материалы серии FR4 для высокопроизводительной цифровой техники и HDI-плат:

  • стандартный FR4: ITEQ IT140, ISOLA Duraver ML104i — Tg 140 °C;
  • эпоксидная смола с высокой Tg (с и без наполнителя): ITEQ IT180; ISOLA IS420; ARLON 45N — Tg 180 °C;
  • эпоксидная смола для бессвинцовых процессов пайки: ITEQ IT158; ISOLA DE104I — Tg 160 °C;
  • материалы для высокопроизводительных цифровых устройств (10 ГГц): ISOLA IS620; NELCO N4000-13; ITEQ IT200DK;
  • смола на медной подложке в В-стадии отверждения: “RCC B-стадия” Polyclad PCL-CF-400;
  • BT-смола — ISOLA;
  • фольга для формирования резисторов: Gould TCR and Shipley INSITE.
  • Высококачественные материалы для авио-ники и военного применения:

  • полиимидные системы: Arlon 33N, 35N, 85N; Hitachi MCL-I-671;
  • эпоксидный и полиимидный Thermount: ARLON 55NT/85RT;
  • медь–инвар–медь: обычно толщиной 150 мкм (слои 17/120/17 мкм);
  • толстая медь: до 500 микрон.
  • Покровные пленки для гибких плат:

  • гибкий ламинат — Kapton: DuPont Pyralux LF; Pyralux FR; Pyralux AP.
  • Высокочастотные материалы на основе тефлона (Teflon) и не тефлона:

  • Rogers: Duroid Copper/Brass supported; RO3003.
  • Arlon: AR350; AR600; AR1000; DiClad 527;
  • Rogers: RO4350; RO4003;TMM10;
  • Arlon: 25N; 25FR;
  • специальный материал для микроволновой техники: GORE Microlam and Speedboard.

Применительно к высоким температурам бессвинцовой пайки все базовые материалы по чувствительности к увлажнению следует отнести к уровню 6. Это значит, что содержание влаги в платах перед пайкой необходимо контролировать для предотвращения расслоения.

Структуры HDI-плат

Компания Cistelaier воспроизводит любые реальные структуры многослойных печатных плат, используя сквозные и слепые отверстия, глухие металлизированные и заполненные отверстия. Комбинации этих элементов транс-версальных межсоединений позволяют создать многочисленные варианты конструкций плат, как показано на рис. 4. Примерные численные значения параметров МПП приведены в таблице.

Структура проводящих элементов применительно к BGA-компонентам с шагом шариков 0,5 мм предусматривает ширину проводников и зазоров 75 мкм, микроотверстия диаметром 100 мкм и поясок защитной маски — 50 мкм. Эти HDI-платы относятся к области освоенных улучшенных технологий, позволяющих реализовать структуры межсоединений еще большей плотности (рис. 5). Главное остижение улучшенных технологий — возможность заполнения глухих отверстий гальванической медью.



Таблица. Основные количественные характеристики элементов структур МПП
Стандартная технология Улучшенная технология Высокая технология Перспективная технология
Величина, мкм
Максимальное количество слоев 20 24 32 40
Размер длинной стороны заготовки × 464 мм 560 661 770 950
Структура МПП с послойным наращиванием 1+1 2+2 3+3 4+4
Точность воспроизведения волнового сопротивления линий связи 10% 8% 5% 3%
Максимальная толщина МПП 3,2 4,5 5,2 7,5
Минимальная ширина элементов проводящего рисунка 100 75 60 50
Поясок вокруг отверстий на внутренних и наружных слоях 125 100 85 75
Минимальный диаметр механического сверления в плате толщиной 1,6 мм 250 200 150 125
Диаметр микроотверстий при лазерном сверлении 125 100 75 50
Размер освобождения вокруг сквозных отверстий на внутренних слоях 250 200 175 150
Паяльная маска, минимальный поясок 62 50 43 37
Паяльная маска, минимальный покрываемый пробел 110 90 75 60
Соотношение глубины механического сверления к диаметру 4 8 12 16
Соотношение глубины лазерного сверления микроотверстий к диаметру 0,60 0,75 1 1,1
Размер освобождения вокруг глухих отверстий 150 125 110 100

Следующий шаг, предпринятый компанией Cistelaier в области производства HDI-плат, — это освоение полуаддитивной технологии, по которой нефольгированный диэлектрик покрывается тонким слоем химически осажденной меди толщиной 1–3 мкм, а затем производится гальваническое наращивание меди по рисунку фоторезиста до толщины 10 мкм. Поскольку вытравливаемая медь имеет очень малую толщину, можно устойчиво воспроизводить линии проводников шириной 30–50 мкм.

Гибкие и гибко-жесткие печатные платы

Компания Cistelaier получает все возрастающие объемы заказов гибких плат от коммерческих структур и гибко-жестких плат от производителей аппаратуры ответственного назначения (авиация, космос, медицинская аппаратура).

Преимущества этих конструкций плат:

  • возможность пространственного распределения межсоединений;
  • избавление от разъемных и паяных соединений между жесткими платами, несущих компоненты (рис. 6);
  • увеличение надежности межсоединений за счет избавления от разъемных и паяных соединений;
  • уменьшение трудозатрат за счет избавления от разделки, вязки, крепления и пайки проводов.

Заключение

Состояние и возможности производства компании Cistelaier служат примером рационального выбора технологических решений и комплектования производства современным оборудованием применительно к быстрому изготовлению прототипов плат с возможностью изготовления и массовой продукции.

По существу созданное фирмой Cistelaier производство создает ей устойчивое положение на рынке печатных плат. Мобильность в обновлении своего производства и технологий является предпосылкой ее дальнейших успехов.

Цель этой публикации — показать пример рентабельности вложений в развитие производства сложных печатных плат, в которых заинтересовано большинство контрактных российских производителей.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Газоанализаторы
Поверка, обслуживание и ремонт газоанализаторов ДРАГЕР. Быстро и недорого
fela-control.ru