Технологии в электронной промышленности №7'2010

«Прямая и непосредственная угроза», или Мартышкин труд. Системы совмещения

Петр Семенов

Предисловие редактора

Я бы назвал эту статью «Многослойные печатные платы. Системы совмещения». Но автор любит преподносить свои материалы в эмоциональной форме, и это импонирует. Он сам, будучи в прошлом начальником цеха, живо представляет обстановку на производстве и ту атмосферу, в которой работают технологи.

Одна из трудно решаемых проблем — совмещение элементов межсоединений в многослойных структурах, какими являются многослойные платы. Это многофакторная система, требующая разносторонних знаний о поведении материалов, фотолитографии, сверлении и прессовании, системах базирования, определяющих точность позиционирования. Возможность попадания сверла в центры контактных площадок на внутренних слоях платы подобна стрельбе по движущимся мишеням. Здесь также нужно точно прицеливаться, давать упреждение на деформацию тонких материалов слоев, «привязать» их друг к другу, чтобы «не убегали». Поэтому настройка системы совмещения — сложный процесс, требующий терпения и настойчивости, высокого уровня квалификации. В зарубежных компаниях это выполняет «рабочая аристократия» — наиболее хорошо оплачиваемый персонал.

Потому автор преподносит решение проблем в таком эмоциональном ключе, что это вводит читателя в резонанс с собственными очень знакомыми ему проблемами и заставляет его вникнуть в расчеты, которые иначе им не были бы восприняты.

Заметьте, это не первая статья автора о системах совмещения, и все предыдущие написаны в таком же эмоциональном духе, что очень импонирует читателю.

Президент Гильдии профессиональных технологов приборостроения профессор А. М. Медведев

Вместо предисловия

1990-е годы. Территория потенциального союзника. Организация, работающая на правительство. Совещание.

— Итак, Билл! Достигнутые результаты за последнее десятилетие поражают. В области электроники Россия осталась практически без современной электронной базы, начиная от материаловедения и заканчивая тестированием готовых электронных компонентов. Однако русские проснулись и понимают, что не смогут приумножить или по крайней мере сохранить нажитый «честным трудом» капитал без поддержки военных на мировом плацдарме.

Россия ищет пути быстрого восстановления обороноспособности и пытается вернуть потерянные позиции на рынке вооружений, я уже не говорю о восстановлении имиджа государства, которое в состоянии защитить своих граждан и их капиталы в кризисных ситуациях.

Наша концепция национальной безопасности предусматривает действия, направленные на обеспечение отсутствия в обозримом будущем каких-либо серьезных препятствий для осуществления наших национальных интересов в любых регионах мирового пространства.

В условиях неразберихи при восстановлении радиоэлектронной промышленности в России наибольшее значение имеют усилия на начальном этапе в виде методологической помощи и информационной поддержки с целью выработки неправильной концепции развития.

Билл, вы слушаете? Денег не надо, русские сами сделают за нас работу, развивая свой бизнес в конкурентной борьбе, в условиях отсутствия технической и экономической экспертизы проектов.

Настало время взяться за печатный монтаж!

— Почему, шеф?

— Знайте, Билл, стоимость кристалла — примерно 10% от стоимости его корпусирования. Все чаще в качестве основы корпуса используются не «рамки», а многослойные печатные платы. Новая элементная база с объемными выводами требует другого подхода в проектировании и изготовлении МПП и конструировании электронных ячеек. Большее значение приобретают свойства базовых материалов МПП, включая радиотехнические параметры и температурные коэффициенты деформации. Качество и характеристики конструкционных материалов приобретают исключительное значение!

Предлагаю следующие перспективные мероприятия по помощи России:

  1. Стимулировать создание эксклюзивных поставок базовых конструкционных материалов для производства печатных плат изделий специального назначения. Особое внимание уделить материалам, работающим на высокой частоте, и полиимидным основам, не имеющим аналогов в РФ. Главный критерий — один агент и отсутствие прямых поставок.

    — Шеф, а оборудование?

    — Билл, оборудование не имеет такого значения, это лишь средство производства. Его можно заменить на худшее по параметрам, приобрести через третьи страны и т. д. Другое дело конструкционный материал, который прошел все испытания, и быстро заменить его просто невозможно. Вы же знаете, если материал введен в перечень допустимой замены, то все конструкторы будут закладывать его в изделия. А нам только это и надо. В условиях локализации марки, например стеклотекстолита, не представляет труда взять под контроль производственные мощности и качество поставляемого материала! Понимаете, Билл?!

    Русские будут думать, что решили проблему, а на самом деле подписали приговор своим изделиям.

    Генри Форд был не прав, сказав, что эксклюзивность — одна из форм недобросовестной конкуренции. Это эффективное средство контроля и распределения стратегических ресурсов!

  2. Активное продвижение технологий, не подходящих для военного применения или по крайней мере требующих ресурсов, которых нет у потенциального противника. Например, бессвинцовые технологии в пайке. Технологии требуют специальных базовых материалов, выдерживающих более высокие температуры при пайке и имеющих низкие значения КТР, которых просто нет у русских, и, как следствие, увеличение механических напряжений в соединениях и элементной базе. Пускай русские философствуют о совместимости флюсов, припоев, о диффузионных процессах в паяных соединениях. Время — деньги, Билл!
  3. Учитывая специфику натурального производства в России (производство замкнутом или практически в замкнутом цикле), которая исторически сложилась, большие расстояния и развитие промышленности во время Второй мировой войны, стимулировать развитие поверхностного монтажа по пути покупки узкоспециализированных высокопроизводительных линий, рассчитанных на массовое производство. Избегать продвижения технологий пайки, обеспечивающих одновременный прогрев компонентов, имеющих разную теплоемкость и массо-габаритные характеристики. Короткая туннельная печь — лучший друг русского. Пусть видят «свет в конце туннеля». Мы должны использовать второй раз идею конверсии, исправно послужившую нам десятилетие. Пускай русские мечтают догнать и перегнать Китай на своих мелкосерийных оборонных предприятиях. Деньги немалые, потраченные на модернизацию и не давшие желаемого результата, тормозят дальнейшее развитие до выяснения вечных вопросов — «Кто виноват?» и «Что делать?» А в России разбираются долго.

Наше время. Завод. Кабинет начальника цеха печатных плат. Совещание Говорит шеф:

— Итак, Иванов! Мы купили комплект оборудования за бешеные деньги. Вы убедили меня и директора, что нам нужна система совмещения PRINTPROCESS, которая позволит нам выпускать прецизионные печатные платы, трактатом тут размахивали с расчетом точности совмещения. PRINTPROCESS работает, где прецизионные платы?

— Шеф, я такое вижу в первый раз. Мы сколько лет работаем на материале Y, вроде вопросов не было. Германия. В КД как заменитель отечественного материала давно входит. Вчера спрессовали плату 20 слоев на материале 0,15 мм, а заготовка после прессовки стала больше на 400 мкм. Притом совмещение хорошее. Она растянулась. Ничего не понимаю. Должна быть усадка микрон 150, не более, после ламинирования при размере платы 420 мм.

— Иванов, так ты разберись, что за материал ты в производство пропустил, соответствует ли требованиям зарубежных стандартов, посчитай, подходит ли нам. Счетовод!

Зиночка! Запишите ему срок — завтра. Так, следующий вопрос. Что со сборкой?

— Шеф! Платы прогнали на сборке. Проблемы, шеф! МПП с теплоотводом, комплектация смешанная. Есть проблемы с непро-паем и перегревом по отдельным элементам одновременно. Платы после сборки винтом. При установке в блок выпрямляются при затягивании крепежа, но на термотренировке есть отказы и в элементной базе, и МПП. Кто вообще оборудование выбирал? А платы? Наплывы, коробление, расслоение, побеле-ние, отказы!

Неделю спустя. Кабинет начальника цеха.

— Ну что, Иванов, разобрался? Ты обычно правильные слова пишешь, только после того как проблему мы почувствуем. Умный, но задним числом. Докладывай.

— На основании опытных работ по изучению смещения слоев МПП при изготовлении выявлено:

Основное смещение слоев происходит при подаче давления второй стадии при ламинировании, поэтому для прессования применяется препрег с малым временем гелеобразования, что позволило применить метод прессования в одну стадию, который в настоящий момент является основным для нашего предприятия.

Результаты исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1. Смещение топологии на разных этапах технологического процесса изготовления МПП


Смещение, мкм
Наименование операции Прессование в две стадии Прессование в одну стадию
Изготовленный ф/ш 15 15
Экспонирование внутренних слоев 5 5
Травление внутренних слоев 20 20
Сборка пакета 20 20
Прессование (непрогнозируемый сдвиг в процессе ламинирования) 120-160 20
Усадка материала толщиной 0,15 мм при ламинировании на дистанции 420 мм 110-120 (нелинейно) 110-140 (линейно)
Формирование баз для сверления в ламинированном пакете 7 7
Сверление (D = 1,6 мм), толщина пакета 1,6 мм 20 20
Экспонирование внешних слоев 10 10

При проведении работ по отработке технологического процесса обнаружено сильное изменение геометрических размеров ламинированной (спрессованной) заготовки многослойной печатной платы (МПП). Одним из основных параметров базовых материалов (ламината), влияющих на точность совмещения топологии рисунка схемы МПП, является стабильность линейных размеров по полю платы. Базовые материалы отечественного и импортного производства были закуплены отделом снабжения самостоятельно, исходя из «экономической эффективности». Проведенные измерения геометрических размеров после прессования заготовок МПП на этих базовых материалах и препреге (стеклоткани) 1080 АТ показали изменения значения геометрических размеров на +0,4 мм на дистанции 420 мм. Шеф, это я вижу в первый раз, что плата увеличивается в размере, обычно бывает усадка.

Согласно требованиям ГОСТ 23751-86 «Платы печатные, основные параметры конструкции», п. 2.3.3, таблица 5, значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок, в диаметральном выражении, составляет для 3-го, 4-го и 5-го класса точности 0,3, 0,25 и 0,2 мм, что будет соответствовать отклонению от среднего значения позиции ±0,15, ±0,125 и ±0,1 мм (уменьшение в два раза за счет располовинивания смещения относительно центра на системе PRINTPROCESS).

Вывод. Ламинат Y ML совместно с пре-прегом 1080 АТ, поставленный на наше предприятие, не соответствует требованиям технологического процесса изготовления МПП 3-го, 4-го и 5-го класса точности с гарантированным выполнением позиционных допусков по ГОСТ 23751-86. Очевидно, что у препрега, поставленного нам, увеличенное время гелеобра-зования, и он не годится для прессования в одну стадию, о чем косвенно говорит большое вытекание смолы по краю пакета.

Хочу обратить ваше внимание на то, что в отдельных случаях, если поставщик материала формально является конкурентом компании, которая отвечает за поддержание технологического процесса, то закупка у него конструкционных материалов как минимум лишает нас права предъявлять претензии к технологическому процессу. Это положение в полной мере относится и к случаю применения материалов, не входящих в список рекомендованных поставщиком оборудования и технологий.

Также, шеф, обращаю ваше внимание на требование стандарта IPC 4101 А (спецификация базовых материалов для жестких и многослойных печатных плат), п. 3.9.1.2, испытания 2.4.1.9, параметр «Стабильность размеров» для:

  • категории А — ±0,0003 см/см;
  • категории В — ±0,0002 см/см;
  • категории С — ±0,0001 см/см.

Из этого следует, что для самого простого ламината категории A и МПП с размером по длинной стороне 420 мм (межбазовое расстояние) соответствует деформация схемы 42 см · ±0,0003 см/см = ±0,0126 см = ±0,126 мм. Эта величина является типовой для качественного материала. Аналогичные результаты получены при запуске технологического процесса на нашем предприятии в рамках проекта на поставленном нам материале.

Относительно применения отечественного материала: метод прессования в одну стадию неприемлем для СТП — 4 # 0,062 по причине большого времени гелеобразования.

Необходимо применять отечественный ламинат, соответствующий требованиям ГОСТ 26246.11-89 «Материал электроизоляционный фольгированный тонкий нормированной горючести для многослойных печатных плат на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим».

В соответствии с требованиями ГОСТ 26246.11-89, п. 3.6, стабильность линейных размеров составляет ±0,8 мкм/мм для материала толщиной от 0,05 до 0,3 мм. Это означает, что ГОСТ 26246.11-89 допускает деформацию схемы на дистанции 420 мм (межбазовое расстояние) 420 · ±0,8 = ±336 мкм (0,336 мм).

Наличие на нашем предприятии оборудования системы совмещения фирмы PRINT-PROCESS позволяет нам при формировании базовых отверстий для сверления «располовинивать» получающуюся деформацию топологии схемы МПП после прессования и добиваться деформации не более ±0,168 мм.

Согласно требованиям ГОСТ 23751-86 «Платы печатные, основные параметры конструкции», п. 2.3.3, таблица 5, значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок в диаметральном выражении составляет для 3-го, 4-го и 5-го класса точности 0,3, 0,25 и 0,2 мм, что будет соответствовать отклонению от среднего значения позиции ±0,15, ±0,125 и ±0,1 мм.

Таблица 2. Сравнение требований стандартов в отношении позиционных допусков при изготовлении МПП

Наименование параметров ГОСТ 23751-86. Платы печатные, основные параметры конструкции, п. 2.3.3, таблица 5, значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок, в диаметральном выражении ГОСТ 26246.11-89. Материал электроизоляционный фольгированный тонкий нормированной горючести для многослойных печатных плат на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим, п. 3.6 «Стабильность линейных размеров» IPC 4101 А. Спецификация базовых материалов для жестких и многослойных печатных плат, п. 3.9.1.2, испытания 2.4.1.9, параметр «Стабильность размеров» для категории А
Класс точности 3 0,3 мм (±0,150 мм) ±0,336 мм* ±0,126 мм*
Класс точности 4 0,25 мм (± 0,125 мм) ±0,336 мм* ±0,126 мм*
Класс точности 5 0,2 мм (±0,1 мм) ±0,336 мм* ±0,126 мм*

Примечание. * — для дистанции 420 мм.

Вывод. Базовый материал согласно ГОСТ 26246.11-89, п. 3.6 «Стабильность линейных размеров» не соответствует требованиям технологического процесса изготовления МПП 3-го, 4-го и 5-го класса точности с гарантированным выполнением позиционных допусков по ГОСТ 23751-86.

Шеф! Полученные выводы не являются новостью для изготовителей МПП в России. Качество отечественного материала не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к МПП, соответствующим ГОСТ 23751-86. Поэтому на протяжении многих лет проводятся работы по возможной замене отечественно го материала на импортный, удовлетворяющий требованиям технологического процесса и ТУ на МПП. Предприятия-изготовители, согласовав с заказчиком программу типовых испытаний МПП, изготовленных на новых материалах, проведя испытания и имея положительный результат, принимают совместно с заказчиком решение о возможности применения этих материалов. С момента совместного изготовления с нами опытной партии МПП на нашем предприятии не поставлена на испытание ни одна МПП, изготовленная из ламината и препрега, обеспечивающих заведомо выпуск качественной и рентабельной продукции. Создается впечатление, что кроме меня эта проблема не волнует никого.

— Стоп, стоп, Иванов! Ты хочешь сказать, что у нас нет материала, необходимого для производства прецизионных плат?

— Так точно, шеф, ни у нас, ни у многих других, кто ранее провел испытания с заказчиком на импортных материалах и ввел их в КД как материалы-заменители, необходимого материала нет. Испытания проводили на материалах квалитета, предназначенного для выпуска простых плат бытового применения.

Вот так, шеф, материал FR4, соответствующий IPC 4101 А категории А, уже не соответствует требованиям, предъявляемым к процессу изготовления печатных плат 5-го класса точности, а уж наш отечественный вообще... Платы иногда случайно получаются. Какое тут планирование производства.

— Так, Иванов! Как же другие компании сложные МПП делают?

— Так не делают, шеф, а деньги переводят на оборудование и материалы, как и мы.

— Слушай, ты не Иванов, ты Караулов с «Моментом истины»! Ты понимаешь, что говоришь?

  1. Выходит, от препрега, а в частности от его времени гелеобразования и текучести, зависит так много, и многомиллионные вливания в оборудование можно перечеркнуть 80 лишними секундами гелеобразования, которые даже мы не контролируем и не запрашиваем у поставщика?
  2. Импортные ламинаты, которые мы испытывали и ввели в документацию, и тем более отечественные ламинаты не соответствуют требованиям технологического процесса изготовления МПП 5-го класса точности?

— Так точно, шеф! Кто знал, что на «международных семинарах» будут нам советовать иностранцы? Мы-то верили, мы же калькулятор в руки не берем и стандарты читаем, когда петух клюнет. Посмотрите на электротехнические характеристики этого FR4!

Поверхностное сопротивление изоляции для квалитета Е-104 типовое 1,3· 106 МОм, тогда для зазора в 0,1 мм и цепи длиной в 100 мм гарантируется сопротивление изоляции для нормальных условий не более (1,3·106·0,1)/100 = = 1300 МОм, а ГОСТ 23752 требует минимум 10 000 МОм. Поэтому, шеф, и техника наша падает.

Мы сами виноваты, верим, не читаем, не считаем.

— Молчи, Иванов, молчи!

Справочная информация для досуга (технологам и конструкторам) приведена в таблице 3 (по данным PCBShop, Taiwan Leading PCB Companies — www.pcbshop.org).

Таблица 3. Многослойные платы. Основные показатели

Параметры Платы ячеек Платы панели (Back Panel) Высокоплотные платы (HDI)
2011 2013 2011 2013 2011 2013
Проводник/зазор, мм 0,075/0,075 0,05/0,05 0,075/0,075 0,06/0,06 0,05/0,05 0,04/0,04
Точность ширины проводников ±10 мкм ±10 мкм ≤6% ≤5% ±10 мкм ±8 мкм
Минимальный диаметр сквозного отверстия/контактной площадки, мм 0,2/0,35 0,2/0,35 0,2/0,4 0,2/0,4 0,1/0,2 0,1/0,2
Отношение глубины к диаметру сквозного отверстия 10 12 15 18 12 15
Минимальный диаметр глухого отверстия/контактной площадки, мм - - 0,1/0,35 0,075/0,30 0,07/0,15 0,06/0,14
Отношение глубины к диаметру глухого отверстия - - 0,8 1,0 1,2 1,4
Шаг выводов BGA, мм 0,4 0,3 0,3 0,3 - -
Размер заготовки, мм 580x660 660x760 660x810 660x860 560x660 560x660
Максимальная толщина заготовок, мм 3,2 3,2 8,0 10,0 - -
Максимальное число слоев 24 30 32 36 12 12

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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

Медицинский справка
Быстрое оформление медицинских справок для ГИБДД. м. Бауманская
medicinskie-sprawki.ru
Shacman
Купить китайский самосвал SHACMAN по выгодной цене! Доставка по РФ. Звони
shacman-z4.ru
Фитнес клуб
Правила посещения клубов. Публикации о фитнесе. Правила клуба
nizhniy-novgorod.metrofitness.ru