отправка...Производство печатных плат. Мифы и реальность
Петр Семенов
Миф № 1.
Создать производство печатных
плат и производство поверхностного
монтажа одинаково сложно
На примере мобильных телефонов можно сравнить капитальные затраты на производство многослойных печатных плат и сборочно-монтажное производство, сбалансированные по производительности (табл. 1, 2, рис. 1, 2).
Таблица 1. Сопоставление затрат на создание производства печатных плат
и сборочно-монтажного производства применительно к выпуску мобильных телефонов
| Показатели проекта | Участок поверхностного монтажа | Цех печатных плат |
| Производительность | 180 000 компонентов в час | 3 кв. м в час |
| Комплектность | 3 линии по 60 000 компонентов в час | 50–60 единиц оборудования |
| Производственные площади | 120 кв. м под установку линии | 750 кв. м под установку оборудования |
| Стоимость комплекта оборудования | 120 млн руб./$3 300 000 | 320 млн руб./$9 000 000 |
Таблица 2. Сравнение результатов
| Параметр | Сборка | Печатные платы |
| Производительность | Большое увеличение | Незначительное увеличение |
| Срок окупаемости | 6 месяцев | 3 года (менее 2 лет при выпуске специальной продукции |
| Занимаемая площадь | 325 кв. м | 750 кв. м |
| Новые проблемы | Печатные платы, надежность (разница КТР) | Расходные и базовые материалы |
 Рис. 1. Сравнение затрат на приобретение |
 Рис. 2. Сравнение производственных |
Характеристики сборочно-монтажного производства до модернизации:
- Примитивное оборудование для ручной сборки.
- Низкая производительность.
- Нет возможности проводить монтаж новой элементной базы.
- Высокая трудоемкость.
- Деликатное отношение к компонентам при последовательной пайке.
- Низкие требования к геометрии финишных покрытий печатных плат и короблению.
Характеристики сборочно-монтажного производства после модернизации:
- Несравнимо более высокая производительность.
- Возможность установки новых компонентов.
- Автоматический оптический контроль.
- Средний срок окупаемости — 6 месяцев.
- Возникновение повышенных напряжений в элементной базе из-за разности КТР элементов и подложки печатной платы.
- Высокие требования к геометрии финишных покрытий печатных плат и короблению.
Характеристики производства печатных плат
до модернизации:
- Сложное устаревшее оборудование.
- Тяжелые условия труда.
- Наличие автоматизации большинства процессов.
- Большое количество оснастки.
- Проблемы с утилизацией сточных вод и отходов.
Характеристики производства печатных плат
после модернизации:
- Сокращение производственного цикла.
- Улучшение условий труда.
- Улучшение качества.
- Новые возможности по проектированию плат
с высокой плотностью соединений. - Решение проблем с утилизацией сточных вод и отходов.
- Срок окупаемости — не менее 3 лет.
- Более высокие требования к качеству базовых материалов, фоторезиста и инструмента.
Вывод: создание производства печатных плат требует бóльших усилий, чем сборочно-монтажного производства, и окупаемость затрат наступает гораздо
позже.
Миф № 2.
Выход годных
не зависит от размера плат
Если существует определенная вероятность
появления дефектов на заготовке плат, то чем
меньше плата, тем меньше эта вероятность.
Платы меньшего размера могут попадать
в поле заготовки без дефектов, и по мере увеличения размера платы вероятность включения в нее дефектов увеличивается: выход
годных падает (рис. 3, 4, табл. 3).
Таблица 3. Выход годных на одной заготовке
в зависимости от размера плат
| Класс предприятия |
100×100 мм |
150×150 мм |
200×200 мм |
300×400 мм |
| 1 | 80% | 65% | 50% | 0% |
| 2 | 90% | 72% | 55% | 0% |
| 3 | 99% | 98% | 96% | 80% |
Рис. 3. Кратность размеров плат на заготовке
Рис. 4. Выход годных (%) по предприятиям в зависимости от размера плат
Вывод: оценку выхода годных нужно сопровождать информацией, к какому размеру плат
она относится.
Миф № 3.
Точность фотоплоттера как
оборудования, создающего
инструмент (фотошаблон), имеет
приоритетное значение по сравнению
с другими характеристиками
Рис. 5. Диаграмма расчетных погрешностей совмещения
На рис. 5 показана прогнозируемая точность совмещения, обеспечиваемая на разных
операциях, с использованием фотоплоттеров
с различной точностью позиционирования:
5 и 25 мкм. Расчеты показывают, что точность
фотоплоттеров почти не сказывается на результирующей точности совмещения (табл. 4):
- Точность совмещения с фотоплоттером
5 мкм (1). - Точность совмещения с фотоплоттером
25 мкм (2).
Таблица 4. Составляющие погрешности совмещения
| Обеспечение точности совмещения | Погрешности совмещения | |
| Изменение размера фотошаблона по диагонали при изменении влажности ±5% и температуры ±1 °С |
ΔLftool | ±28 мкм (вводим ограничения в установку экспонирования) |
| Усадка слоев при травлении (макс.) | ΔLetch | ±50 мкм |
| Изменение размеров пакета МПП при прессовании | ΔLpress | ±145 мкм |
| Точность сверления на сверлильном станке с учетом разницы координат входа и выхода сверла из пакета |
ΔLdrill | ±30 мкм |
| Точность позиционирования фотоплоттера | ΔLfplot | ±5 или ±25 мкм |
Вывод: на фоне больших линейных деформаций тонких слоев МПП точность позиционирования фотоплоттеров мало сказывается
на результатах совмещения.
Миф № 4.
Точность позиционирования
сверлильного станка имеет
приоритетное значение при
прецизионном сверлении отверстий
На самом деле довлеющее значение имеет
выход сверла, зависящий от структуры материала основания платы. Анизотропность
структуры материала создает случайность препятствий для заглубления сверла, в результате
чего оно может отклоняться, и на выходе сверла возникает больший разброс отклонений,
чем на входе. На рис. 6 показано рассеивание
позиций выхода сверла большого диаметра,
на котором не сказывается анизотропия материала, и для тонкого сверла, диаметр которого
соизмерим с переплетениями стеклоткани материала основания.
Рис. 6. Рассеивание выхода сверла большого диаметра (слева) и тонкого (справа)
Сравниваем точность позиционирования
шпинделя: (ΔXin) — 5 мкм и (ΔXin) — 20 мкм,
при биении на установленном сверле макс.
(ΔXdev) — 5 мкм, установленная разница
между входом и выходом сверла (ΔXdif) —
25 мкм:
- Точность позиционирования сверла
на входе — 5 мкм (3). - Точность позиционирования сверла
на входе — 25 мкм (4).
Вывод: более значимым в системе совмещения
является отклонение позиции выхода сверла,
особенно существенное для тонких сверл и грубых тканей.
Миф № 5.
Химические вещества и технология
металлизации сдерживают
металлизацию тонких отверстий при
большой толщине печатной платы
В не меньшей степени на возможности формирования тонких отверстий сказывается конфигурация сверла: длина рабочей части, возможность выхода стружки, перегрев режущей
кромки по мере изношенности сверла.
Максимальная толщина платы, которая может быть просверлена, может быть рассчитана
с учетом параметров, показанных на рис. 7:
H = kL –h –h1,
где Н — максимально возможная толщина
платы для сверла длиной L; k — коэффициент
использования рабочей части сверла, равный
0,7; h — толщина протектора (накладки); h1 —
глубина входа сверла в подкладку.
Рис. 7. Схема расчета выбора сверла
На рис. 8 показан реальный результат металлизации тонких отверстий, полученный
на ПТК ПП ФГУП ГРПЗ (г. Рязань). Использовался импульсно-реверсивный процесс
электрохимической металлизации. Обращает
на себя внимание толщина металлизации:
внутри отверстия она больше, чем на поверхности.
Рис. 8. Тонкое отверстие в толстой плате (всего на плате 15 625 таких отверстий)
Вывод: помимо химических и гальванических
процессов, на формировании тонких металлизированных отверстий в «толстых» платах
сказывается выбор конфигурации тонких
сверл.
Миф № 6.
Материал FR4
(квалитет 104) подходит
для производства прецизионных МПП
Давайте посмотрим, удовлетворяет ли этот
материал стандартным требованиям хотя бы
по сопротивлению электрической изоляции
(табл. 5) [1].
Таблица 5. Нормативы на электрическую изоляцию
| Свойства | Спецификация для ≤0,78 мм | Значения ISOLA для ≤0,78 мм |
| Удельное объемное сопротивление, МОм·см | ||
| А. В условиях повышенной влажности С 96/35/90 | 1×106 | 6×106 |
| В. При повышенной температуре Е-24/125 | 1×103 | 7,2×106 |
| Поверхностное сопротивление, МОм | ||
| А. В условиях повышенной влажности С 96/35/90 | 1×104 | 1,3×106 |
| В. При повышенной температуре Е-24/125 | 1×103 | 3,7×107 |
В таблице 6 показаны требования ГОСТ 23752
для сопротивления изоляции. Сопоставление
результатов расчета говорит не в пользу использования материала FR4. Сопротивление
изоляции между 2 проводниками длиной
100 мм и с зазором 0,1 мм можно рассчитать:
Rиз = МОм×0,1/10= 1,3×1000 = 1300 мОм, при
том, что по ГОСТ требуется минимальное сопротивление изоляции в нормальных условиях 10 000 МОм.
Таблица 6. Требования ГОСТ 23752 к сопротивлению изоляции (МОм)
| Материал основания |
Нормальные условия |
Относительная влажность 93 ±3% | Повышенная температура | ||||||
| При температуре 25 ±10 °С |
При температуре 40 ±2 °С | 85 ±3 °С | 100 ±3 °С | 120 ±5 °С | |||||
| 1 ч | 2 сут. | 4 сут. | 10 сут. | 21 сут. и более |
2 ч | 2 ч | 2 ч | ||
| Гетинакс | 5000 | 300 | 1 | 0.5 | – | – | 20 | – | – |
| Стеклотекстолит | 10 000 | 700 | 30 | 20 | 5 | 1 | 300 | 200 | 100 |
| Лавсан, полиимид | 10 000 | 700 | – | 20 | 5 | 1 | – | 300 | – |
Миф № 7.
Изготовим МПП
5-го класса точности
из отечественного материала
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. Сопоставим
это требование с усадкой материалов, сказывающейся на точности позиционирования,
значения которой установлены в отечественной нормативной документации. С одной
стороны, ГОСТ 23752-79 «Платы печатные.
Общие технические условия» требует применения отечественного ламината, соответствующего ГОСТ 26246.11-89
«Материал электроизоляционный фольгированный тонкий нормированной горючести для многослойных печатных плат на основе
стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим». С другой —
ГОСТ 26246.11-89 (п. 3.6) устанавливает cтабильность линейных размеров не хуже ±0,8 мкм/мм для материала толщиной от 0,05 до 0,3 мм. Это
означает, что ГОСТ 26246.11-89 допускает деформацию заготовки слоя
на дистанции 420 мм (межбазовое расстояние): 420(±0,8) = ±336 мкм
(±0,336 мм). Результаты сопоставления показаны в таблице 7.
Таблица 7. Сопоставление требований по позиционной точности
с нормативной деформацией материалов тонких слоев МПП
| Требования стандартов |
Значение позиционного допуска по ГОСТ 23752-79 |
Стабильность линейных размеров по ГОСТ 26246.11-89, п. 3.6 |
| Класс 3 | 0,3 | 0,336 |
| Класс 4 | 0,25 | 0,336 |
| Класс 5 | 0,2 | 0,336 |
Вывод: предусмотренные ГОСТ 23751 требования к совмещению не согласуются с реальной размерной стабильностью тонких материалов для
внутренних слоев МПП.
Заключение
Практика реализации многочисленных проектов высокотехнологичных производств многослойных печатных плат привела к осмыслению существа многих процессов и развенчанию неверных представлений о направленности усилий по становлению и модернизации имеющихся производств.