Пятипоршневая система вакуумного планарного прессования печатных плат и гибридная технология нагрева

Введение

Для того чтобы понять, с какими дефектами прессования периодически сталкиваются производители многослойных печатных плат, обратимся к действующему ГОСТ 23661-79 «Платы печатные многослойные. Требования к типовому технологическому процессу прессования», в приложении 9 которого приведен список характерных дефектов:

• разнотолщинность спрессованной заготовки;
• просматривание проводящего рисунка внутренних слоев на поверхности фольги спрессованной заготовки;
• белесость, непропрессовка, вздутие и расслаивание спрессованной заготовки при большом облое;
• белесость, непропрессовка, вздутие и расслаивание спрессованной заготовки при незначительном облое;
• вздутие и отслоение фольги на поверхности спрессованной заготовки;
• вмятины на поверхности фольги;
• вздутие и расслаивание спрессованной заготовки после воздействия термоудара.

Когда обнаруживают коробленую плату с непропрессовками/вздутиями/расслоениями, возникает традиционный вопрос: кто виноват и что делать?

Причин множество, но основных пять:

• человеческий фактор;
• оборудование, не соответствующее современным требованиям производства прецизионных МПП 5–7-го класса точности по ГОСТ Р 53429-2009;
• базовые материалы (препрег, фольга, стеклотекстолит);
• вспомогательные материалы (термобуфер, антиадгезивная пленка) и оснастка (пресс-формы);
• подготовительные операции (компоновка плат, технологическое поле и т. д., подготовка слоев и препрега перед прессованием).

В статье мы постараемся дать ответ на вопрос о том, какие современные технологии должны присутствовать в процессе прессования МПП, отвечающих современным требованиям.

Для начала определим факторы, которые связаны с оборудованием и влияют на качество операции прессования:

1. Равномерность давления:

• • насколько плоскопараллельны плиты пресса и насколько равномерно они оказывают давление на заготовку?

2. Равномерность теплопередачи:

• • насколько равномерно нагрета каждая плита пресса и, соответственно, насколько равномерно передается тепло от плит к заготовкам?

3. Возможность контроля скорости охлаждения и нагрева:

• • есть ли такая возможность?
  • в каком диапазоне регулируется и контролируется скорость нагрева или охлаждения?

4. Степень разряжения (вакуум):

• • заполняются ли пустоты в заготовках?
  • есть ли возможность отключения вакуума?
  • эффективно ли удаляются «летучие»?

5. Программирование и работа автоматики:

• • какими возможностями обладает система управления прессом и насколько слаженно работает автоматика?

Также необходимо упомянуть о ряде факторов, которые не влияют на качество операции, но, тем не менее, являются немаловажными при выборе пресса:

1. Эргономичность:

• • насколько оператору удобно работать на прессе?
  • насколько дружественен интерфейс управления системой?

2. Экономичность:

• • будет ли пресс окупать себя с экономической точки зрения?
  • является ли пресс небольшим по габаритам?

3. Производительность участка прессования.

Лидером мирового производства высокотехнологичных систем вакуумного ламинирования является компания Fusei Menix, поставляющая прессы (рис. 1) таким гигантам производства электронной техники, как Foxconn, Samsung, LG, SIMMTECH и другим. Количество работающего оборудования достигает 560 комплектов. Fusei Menix — обладатель 28 патентов по конструкции прессов для производства МПП, который постоянно инвестирует в развитие новых уникальных технических решений.

Рис. 1. Внешний вид 5 поршневого пресса Fusei Menix

Рассмотрим наиболее важные особенности традиционных прессов и прессов фирмы Fusei Menix в разрезе вышеописанных факторов.

Системы приложения давления

Традиционные прессы имеют один поршень и несколько стальных плит пресса. Благодаря гидравлической системе поршень поднимает нижние плиты и смыкает их с верхней. Поршень по площади всегда меньше плиты пресса, из-за чего давление на центр плиты больше, а на края, по законам физики, меньше. Как следствие, на краях заготовок могут возникнуть дефекты из-за разных условий прессования.

Недавно появилась новая четырехпоршневая система сжатия плит пресса (рис. 2). Четыре поршня оказывают равномерное давление на нижнюю плиту и, соответственно, на заготовку, значительно уменьшая количество дефектов, возникающих из-за неравномерности давления.

Рис. 2. Равномерность приложения давления при разных системах

Благодаря постоянному поиску идей и совершенствованию оборудования компания Fusei Menix разработала пятипоршневую систему (рис. 3), сравнение которой с традиционной приведено на рис. 4.

Рис. 3. Пятипоршневая система, применяемая в прессах Fusei Menix:
а) внешний вид;
б) два независимых контура приложения давления для корректировки в зависимости от размера заготовки

Рис. 4. Сравнение систем приложения давления:
а) однопоршневая система (ОПС);
б) 5-поршневая система, применяемая в прессах Fusei Menix

В производстве печатных плат в настоящее время используется много типоразмеров заготовок. Чем меньше размер заготовки, тем больше риск погнуть пресс-формы или повредить плиты пресса. Чтобы избежать этого, пятипоршневые прессы фирмы Fusei Menix имеют два независимых контура приложения давления (первый контур регулирует давление центрального поршня, а второй — четырех оставшихся поршней) и встроенное программное обеспечение, которое позволяет прессу корректировать давление по центру и по краям в зависимости от размера заготовки. Например, при малом размере заготовки большее давление будет прикладываться к центральному поршню, что обеспечит более высокую равномерность распределения давления на всю площадь заготовки.

Также на прессах Fusei Menix был проведен эксперимент по определению плоскопараллельности плит в условиях постоянного изменения температуры и воздействия высокого давления (рис. 5).

Рис. 5. Схема эксперимента по определению плоскопараллельности

Последовательность действий в эксперименте:

1. Нарезаем на части фиксированной длины прутки припоя ∅3 мм.
2. Куски припоя аккуратно укладываем вдоль контрольных точек в соответствии с эскизом.
3. Прессуем припой при температуре 30–40 кг/см² в течение 2 мин.
4. Измеряем толщину припоя (табл. 1).

По результатам этого эксперимента мы видим явное преимущество пятипоршневой системы. Статистика говорит сама за себя. С цифрами не поспоришь.

Системы нагрева

Во время процесса прессования базовый материал (препрег) полимеризуется и затвердевает под воздействием температуры. При неравномерном распределении температуры по поверхности плиты пресса препрег также прогревается неравномерно и, как следствие, одни его области могут полимеризоваться раньше, а другие — позже, что приводит к производственному браку (коробление и непропрессовки).

Существует несколько систем нагрева заготовок во время прессования, рассмотрим кратко преимущества и недостатки каждой из них.

Электрическая система нагрева плит пресса (традиционный метод)

Данная система — традиционная и на текущий момент наиболее распространенная. Нагрев системы происходит за счет ТЭНов, которые интегрируются в плиту пресса. Это позволяет обеспечить быстрый нагрев и охлаждение. В результате многочисленных экспериментов на разных прессах было выявлено, что различия температуры между центром плиты и ее краем могут достигать +5…+7 °C в пределах одной плоскости. Если при этом происходит прессование одновременно нескольких заготовок в одном пресс-пакете, то разница температуры в одних точках между центральной заготовкой и заготовками, расположенными ближе к плитам, может быть +12…+17 °C. Таким образом, максимальное различие температур на заготовках во время прессования способно достигать +24 °C и более при увеличении числа заготовок и габаритов плат. Смола в некоторых типах препрегов начинает течь при температуре +120…+130 °C, а рекомендуемая температура полимеризации — +160…+170 °C. Это означает, что в каких-то заготовках процесс полимеризации будет близок к завершению, а в каких-то смола только начнет течь. Эти состояния смолы являются определяющими для подбора режимов прессования. Следовательно, качество прессования с помощью пресса во многом зависит от использования буферных материалов, позволяющих обеспечивать равномерное распределение нагрева, и от подбора режимов прессования, а значит, и от опыта технологов (человеческого фактора).

Нагрев плит пресса масленым теплоносителем (традиционный метод)

В данной системе нагрева помимо пресса должна присутствовать специальная масляная станция (бойлер), которая нагревает/охлаждает масло и подает его в плиты пресса, обеспечивая условно равномерный нагрев. Это достигается за счет того, что в плите пресса отсутствуют трубки с хладагентом и в масляной станции есть два резервуара:

• первый содержит масло, нагретое до температуры примерно на +60 °C больше максимальной температуры плит пресса;
• второй содержит холодное масло.

Холодное и горячее масло смешиваются в пропорциях, соответствующих программе прессования, и только после этого подаются в плиту пресса, обеспечивая равномерный нагрев.

Масляный пресс обладает большей скоростью нагрева и охлаждения по сравнению с электрическим, но для его работы необходим предварительный нагрев масла до требуемой температуры в течение 20–30 мин.

Минусом данной системы нагрева является необходимость затрачивать огромное количество воды и электроэнергии для охлаждения и нагрева масла, потребность в крупногабаритном бойлере, а также ограничение по максимальной температуре нагрева, поскольку температура масла в бойлере должна быть на +50…+60 °C выше максимальной температуры плит пресса.

Электрическая система нагрева посредством разогрева медной фольги джоулевым теплом

На текущий момент традиционным методам нагрева есть альтернатива — это электрическая система нагрева через медную фольгу. Принцип работы системы показан на рис. 6.

Рис. 6. Принцип действия электрической системы нагрева посредством разогрева медной фольги джоулевым теплом

Решение, бесспорно, оригинальное, но по нескольким причинам абсолютно далекое от многономенклатурного мелкосерийного производства печатных плат и непригодное для прессования препрегов, требующих большого удельного давления. Главный недостаток такой конструкции в том, что прессы не имеют гидроцилиндра большой мощности, поэтому пресс не может развивать большое давление на полный размер заготовки.

Использование подобной системы прессования в производстве печатных плат целесообразно при серийности выпуска продукции.

Также система не позволяет обеспечивать охлаждение заготовок в цикле прессования, что ведет к деформации печатных плат и микрорасслоениям.

Из-за таких особенностей систему применяют на предприятиях по выпуску ламинатов и очень ограниченно в производстве МПП.

Гибридная система нагрева

Десятилетиями производители прессов пытались найти конструктивное решение по созданию системы нагрева, сочетающей преимущества электрической и масляной. И это удалось компании Fusei Menix. Конструкция была запатентована и носит название Red Wave (англ. — «красная волна»). Это название разработчики присвоили системе за быстроту и равномерность нагрева плиты пресса до высоких температур, необходимых для прессования высокотехнологичных материалов. А решение, как оказалось, лежало на поверхности. Как совместить преимущества обеих систем? Их нужно объединить. В гибридной системе присутствуют и ТЭНы, и специальные каналы внутри плит пресса, по которым проходит масло.

Давайте сравним традиционные системы нагрева и систему нагрева Red Wave.

Основные преимущества гибридной системы нагрева Red Wave:

1. Быстрый нагрев благодаря электрическому и масляному нагреву. В процессе прессования есть этапы, когда скорость нагрева/охлаждения не влияет на качество прессования. Для того чтобы сэкономить время и уменьшить цикл прессования, на таких этапах от пресса требуется максимальная скорость нагрева или охлаждения, что и обеспечивается гибридной системой нагрева Red Wave (табл. 2).
2. Стабильное и равномерное распределение температуры благодаря теплопереносу маслом. Отклонение температуры ±1,5 °C на плитах пресса.
3. Экономия площади по сравнению с масляной системой нагрева за счет уменьшения размера бойлера, что весьма актуально для предприятий, которые не располагают большими производственными площадями (рис. 7).
4. Экономия электричества и воды охлаждения. Экономия воды (хладоносителя) и электроэнергии достигается за счет уменьшения количества нагреваемого/охлаждаемого масла.

Рис. 7. Требуемая площадь:
а) термомасляный пресс;
б) гибрид Red Wave

Для подтверждения высокой равномерности нагрева плит пресса системой Red Wave был проведен эксперимент (рис. 8).

Рис. 8. Эксперимент по определению равномерности нагрева плит пресса системой Red Wave

Последовательность действий в эксперименте:

• Выбираем девять точек на плите для проверки температуры.
• Начинаем проверять температуру спустя 20 мин (+150 °C, 30 мин).
• Замеряем температуру: максимальную, минимальную, вычисляем среднее значение и отклонение.
• Убеждаемся, что отклонение температуры не превышает ±1,5 °C (таблица рис. 8).

Одна из важных особенностей прессов Fusei Menix — наличие в прессе контактной группы для подключения термопар, расположенной внутри вакуумной камеры, и программного обеспечения для вывода температуры внутри заготовки МПП на экран монитора (рис. 9), что является мощным инструментом технолога при выявлении момента гелеобразования для определения момента приложения основного давления. Благодаря этому больше не нужно самостоятельно придумывать, как именно подключать термопары и следить за температурой в заготовках. Подобный инструмент позволяет комфортно отслеживать состояние препрега в прессуемом пакете МПП и очень важен при работе с препрегами, имеющими большое время гелеобразования и требующими прессования в «две ступени».

Рис. 9. Возможность подключения термопар

Экономия охлаждающей воды при применении гибридной системы нагрева Red Wave

Количество потребляемой охлаждающей воды (рис. 10):

• термомасляный вакуумный пресс = 100 л/мин = > до 72 000 л/день => до 2 160 000 л/месяц = > до 25 920 000 л/год;
• гибридный вакуумный пресс = 10 л/мин. = > до 7000 л/день = > до 216 000 л/месяц = > до 2 592 000 л/год.

Рис. 10. Сравнение расхода воды в зависимости от систем нагрева

Эффект снижения затрат = > снижение расхода охлаждающей воды и потребляемой энергии.

Экономия электроэнергии при использовании гибридной системы нагрева Red Wave

Расходы на электроэнергию, требуемую для нагрева пресса (рис. 11):

• термомасляный вакуумный пресс: 132,9 кВт в цикл. Расходы на электроэнергию на 10 лет = 132,9 кВт × 10 лет × 200 дн. × 24 ч (3‑сменный график работы) × 7 руб./кВт·ч = 44,7 млн руб.
• гибридный вакуумный пресс: 92,9 кВт в цикл. Расходы на электроэнергию на 10 лет = 92,9 кВт × 10 лет × 200 дн. × 24 ч (3‑сменный график работы) × 7 руб./кВт·ч = 31,2 млн руб.

Рис. 11. Сравнение расходов на электроэнергию различных систем нагрева

Комплексное решение для участка прессования «под ключ»

Производительность участка прессования зависит не только от пресса, но и от системы сборки/разборки пресс-форм. В настоящее время есть много ручных или полуавтоматических систем сборки/разборки пресс-форм, но компания Fusei Menix пошла еще дальше и разработала полностью автоматическую систему (рис. 12), которая позволяет собирать до 162 пресс-форм в час.

Рис. 12. Высокопроизводительная система сборки/разборки пресс-форм с конвейерной роликовой системой перемещения

Если нет необходимости в автоматической системе сборки/разборки пресс-форм или такая система уже имеется, то прессы могут быть доукомплектованы устройствами (рис. 13, 14) для увеличения производительности, а также удобства пользования и соблюдения техники безопасности.

Рис. 13. Тележка для загрузки и разгрузки пресс-форм из пресса, буфер, холодный пресс

Рис. 14. Шестиэтажный вакуумный горячий пятипоршневый пресс с полуавтоматической системой разгрузки/загрузки прессов и с входным и выходным буфером

Заключение

В качестве заключения приведена таблица 3.

Статья написана на основе личного опыта работы автора на прессе Fusei Menix. Во время эксплуатации пресса проводилось прессование сложных МПП, в том числе и СВЧ-диапазона, создавались различные программы прессования, контролировались результаты прессования. Нареканий к оборудованию Fusei Menix (его программированию, системе нагрева Red Wave, пятипоршневой системе приложения давления, автоматизации, эргономике и т. д.) не возникло.

Мировые производители печатных плат уже сделали свой выбор (рис. 15), а вы?

Рис.15. Пример участка прессования на предприятии в Южной Корее