Технология и оборудование для заполнения отверстий эпоксидными пастами

№ 7’2013
PDF версия
Технология заполнения переходных и глухих отверстий диэлектрическими пастами позволяет выйти на более высокий уровень сложности при изготовлении многослойных печатных плат высокой плотности компоновки (HDI). Для освоения подобной технологии на производстве требуется дополнительно оснастить его специальным технологическим оборудованием и применять специальные эпоксидные пасты.

Введение

Конструкции печатных плат с заполненными переходными и глухими отверстиями уже давно не являются экзотикой у зарубежных разработчиков и изготовителей печатных плат.

Изначально переходные отверстия заполнялись диэлектрическими компаундами перед нанесением жидкой паяльной маски. Такой способ применяется как альтернатива тентированию отверстий сухой паяльной маской. Дальнейшее развитие технология заполнения отверстий получила в конструкциях многослойных печатных плат с высокой плотностью рисунка и монтажа, например, в платах высокоскоростной передачи данных, которые применяются в технике дальней связи или в суперкомпьютерах.

Отверстие в контактной площадке (уменьшение занимаемой площади дискретным компонентом)

Рис. 1. Отверстие в контактной площадке (уменьшение занимаемой площади дискретным компонентом)

 

Высокая плотность компоновки

Дефицит пространства для трассировки проводников привел к появлению новых элементов в конструкциях многослойных печатных плат. Кроме увеличения плотности внутренних межслойных переходов, заполнение отверстий пастами и последующая их поверхностная металлизация позволяют поместить отверстие в площади контактной площадки (via-in-pad) (рис. 1). Для корпусов типа BGA совмещение контактной площадки с переходным глухим отверстием на внутреннем слое сокращает количество самих переходных отверстий и увеличивает пространство между контактными площадками для прокладки проводников (рис. 2).

Отверстие в контактной площадке (освобождение площади под трассировку в посадочном месте под корпуса BGA)

Рис. 2. Отверстие в контактной площадке (освобождение площади под трассировку в посадочном месте под корпуса BGA)

К конструкциям печатных плат с заполненными отверстиями разработаны требования, которые внесены в международные стандарты. Например, такие требования можно найти в стандарте IPC 2226 «Проектирование печатных плат с высокой плотностью рисунка» для III типа плат HDI (рис. 3).

Стандарт IPC 2226 (элементы структуры платы HDI; тип III)

Рис. 3. Стандарт IPC 2226 (элементы структуры платы HDI; тип III)

 

Технологический процесс и материалы

Для изготовления плат с заполненными отверстиями требуется ряд дополнительных операций, а также специальное оборудование. Технологический процесс заполнения отверстий можно представить в виде следующей схемы (рис. 4).

Общая схема технологического процесса заполнения отверстий

Рис. 4. Общая схема технологического процесса заполнения отверстий

Для плат с заполненными отверстиями операции сверления и металлизации отверстий проводят в две стадии. На первой стадии сверлятся и металлизируются отверстия, которые затем заполняются жидкой эпоксидной пастой высокой вязкости. После заполнения паста внутри отверстий полимеризуется до твердого состояния в сушильном шкафу. Так как заполнение проводится без трафарета и паста остается на всей поверхности заготовки, то остатки пасты должны быть удалены с поверхности. На специальном шлифовальном станке проводится операция механической зачистки и шлифовки, или, как ее еще называют, — планаризация (planarising). После этого сверлятся и металлизируются остальные отверстия, при этом одновременно покрывается медью вся поверхность заготовки, в том числе поверхность компаунда в отверстиях.

Для заполнения отверстий применяют специальные эпоксидные компаунды без растворителя. После заполнения и отверждения такие составы имеют очень малую усадку, а коэффициент термического расширения у них такой же, как и у фольгированных диэлектриков. Пасты для заполнения выпускают несколько зарубежных компаний. В таблице приведены наиболее популярные компаунды.

Таблица. Перечень наиболее популярных специальных эпоксидных компаундов

Марка

Изготовитель

Tg, °C

CTE

Срок годности, дней

PP2795

Peters

+140

150

180

PP2794

Peters

+115

80

60

PHP900

San-Ei Kagaku

+160

84

14

THP-100 DXI

Tayio

+160

115

60

THP-100 DX2

Tayio

+148

52

60

THP-100 DRT

Tayio

+125

125

180

 

Комплекс оборудования

Для операций заполнения и шлифовки, как уже было сказано, необходимо специализированное оборудование.

Компания ITC (Германия) уже более 10 лет разрабатывает и производит комплексы оборудования для заполнения отверстий. В линейку входят как простые установки для заполнения только сквозных отверстий, так и более универсальные, предназначенные для одновременного заполнения сквозных и глухих отверстий. За счет ноу-хау в конструкции и управлении обеспечивается качественное заполнение любых отверстий и экономный расход пасты. Особенности конструкции универсальной установки заполнения рассмотрим на примере модели THP35 (рис. 5).

Внешний вид установки THP35

Рис. 5. Внешний вид установки THP35

Управление установкой ведется посредством специальной программы со встроенного в THP35 компьютера. Программа обеспечивает отображение текущих параметров процесса, создание и хранение различных режимов, сообщение об ошибках. В установке имеется две камеры; одна предназначена для заполнения отверстий, другая — для последующей очистки поверхности заготовки от остатков пасты. Заготовки в обеих камерах подвешиваются вертикально и фиксируются за верхнюю сторону с помощью системы пневматических зажимов. При работе оператор сначала помещает заготовку в камеру для заполнения, а затем перемещает ее в камеру очистки. Заготовка размещается между фронтальной и задней головками, которые в начале рабочего цикла прижимаются к поверхности заготовки со стороны верхних фиксаторов. В головки подается паста под определенным давлением, и они начинаются двигаться вдоль заготовки сверху вниз (рис. 6).

Процесс заполнения

Рис. 6. Процесс заполнения

В зависимости от типа заполняемых отверстий выбирается режим подачи пасты. Для заполнения сквозных отверстий во фронтальной головке задается большее давление пасты, чем в задней. В этом случае задняя головка работает на прием пасты. Подобный режим устанавливают и для заготовок, имеющих сквозные отверстия в комбинации с глухими. Подача пасты под давлением позволяет заполнять отверстия с очень высоким отношением диаметра к высоте (Aspect Ratio, AR). На практике без всяких проблем заполнялись отверстия в платах с AR, равным 1:40. Для заполнения только глухих отверстий с одной или двух сторон заготовки на обе головки подается паста с одинаковым давлением. Система подачи пасты расположена под каждой головкой и состоит из картриджа с пастой, толкателя и соединительных трубок (рис. 7).

Система подачи пасты

Рис. 7. Система подачи пасты

Корпус картриджа с пастой выполнен из пластика цилиндрической формы, внутри со стороны толкателя установлена плотная подвижная заглушка. Такая конструкция картриджа является стандартным исполнением и выпускается всеми производителями паст (рис. 8).

 Картридж с пастой

Рис. 8. Картридж с пастой

Соединительная трубка подключается к картриджу специальной муфтой. Толкатель давит на заглушку, выдавливая пасту из картриджа, которая по трубкам подается в головку. В головках паста через систему прорезей поступает в зону заполнения, контактирующую с поверхностью заготовки. Рядом с зоной заполнения находится зона вакуумирования, в которой из отверстий удаляется воздух перед тем, как туда попадет паста. Зоны изолированы друг от друга полиуретановым уплотнителем, который, соприкасаясь по всей длине головки с поверхностью заготовки, изолирует зоны подачи пасты и вакуумирования друг от друга (рис. 9).

Расположение рабочих зон в головках

Рис. 9. Расположение рабочих зон в головках

Такой способ, в отличие от создания вакуума в объеме всей камеры, позволяет создать более высокий уровень вакуума в отверстиях и упростить конструкцию самой камеры. К тому же локальное вакуумирование дает возможность избежать кипения пасты, которое может происходить в случае использования вакуумной камеры. Кроме подачи пасты к заготовке и локального вакуума, в головках реализована функция охлаждения пасты при длительном простое либо ее нагрев в начале работы. Охлаждение или нагрев обеспечивается водой, которая циркулирует по замкнутому контуру между головками и встроенным термомодулем.

Длительность цикла заполнения может составлять от 30 до 60 с и зависит от длины заготовки, типа и диаметра отверстий и их расположения с одной или двух сторон печатной платы. Оператор может проконтролировать качество заполненных отверстий с помощью встроенного цифрового микроскопа. При недостаточном заполнении отдельных отверстий оператор может запустить цикл заполнения повторно.

После заполнения поверхности заготовок очищаются от излишков пасты в соседней камере. Очистка проводится двумя полиуретановыми ракелями, расположенными так же с двух сторон заготовки. На рис. 10 показан вид поверхности заготовки после заполнения отверстий и после очистки.

Поверхность заготовки после заполнения и после очистки

Рис. 10. Поверхность заготовки после заполнения и после очистки

Полимеризация пасты внутри отверстий проводится в обычной конвекционной печи при температуре +150 ºС в течение 60 мин. При полимеризации паста обладает очень малой усадкой, так как не содержит в своем составе разбавителей и имеет очень малый процент летучих веществ. Результат одновременного заполнения сквозных и глухих отверстий, расположенных с двух сторон, приведен на рис. 11. На установке THP35 не предусмотрены ограничения по диаметру глухих отверстий при их заполнении. Диаметр переходных отверстий должен быть меньше или равен толщине платы.

Шлиф с заполненными глухими и сквозными отверстиями

Рис. 11. Шлиф с заполненными глухими и сквозными отверстиями

Для последующей шлифовки поверхности перед металлизацией компания ITC разработала ручной полуавтоматический шлифовальный станок PD30, на котором можно очень точно обрабатывать небольшие партии заготовок (рис. 12).

Внешний вид шлифовального станка PD30

Рис. 12. Внешний вид шлифовального станка PD30

Принцип работы на станке PD30 заключается в следующем. Заготовка размещается на столе горизонтально. Вращающуюся в горизонтальном направлении головку с шлифовальным диском или щеткой оператор опускает на поверхность заготовки и вручную перемещает ее вдоль всей поверхности. Для шлифовки используются диски или щетки с алмазным абразивом различной зернистости (от 20 до 120 мкм) (рис. 13).

Диски и щетки для шлифовки

Рис. 13. Диски и щетки для шлифовки

Давление зачистной головки станок контролирует автоматически. За один проход с поверхности фольги можно удалить следы пасты и снять несколько микронов меди (рис. 14). На шлифовку одной заготовки с двух сторон требуется от 90 до 180 с в зависимости от ее размера, толщины удаляемого слоя меди и чистоты обработки поверхности. Зная профиль распределения меди, на станке PD30 можно очень точно отшлифовать заготовку до необходимой толщины. Для удаления пыли головка имеет воздуховод, который подключается к системе местной вытяжной вентиляции.

Процесс шлифовки поверхности

Рис. 14. Процесс шлифовки поверхности

Кроме печатных плат на станке PD30 можно шлифовать любые листовые материалы, например, прокладочные металлические листы пресс-форм, а также ракельные полотна из камеры очистки установки THP35 (рис. 15).

Шлифовка ракельного полотна из установки THP35

Рис. 15. Шлифовка ракельного полотна из установки THP35

 

Заключение

Комплекс технологического оборудования для заполнения отверстий пастами является альтернативой гальваническому заполнению глухих отверстий на вертикальных линиях. Внедрение технологии заполнения пастами дает изготовителю печатных плат новые возможности в формировании сложных внутренних переходов в платах высокой плотности и конкурентное преимущество перед оппонетами на рынке. В ближайшем будущем должны появиться установки селективного заполнения отверстий, которые будут выборочно заполнять отверстия электро- или теплопроводящими пастами согласно программе.

Литература
  1. IPC 2226 «Проектирование печатных плат с высокой плотностью рисунка».
  2. Рекерт Т. Новые технологии заполнения отверстий и последующей планаризации // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 5.
  3. itc-intercircuit.de

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *