Начальный курс производства электроники.
Часть третья-бис.
Подробнее о многослойных печатных платах
Введение
По сути, многослойная плата состоит из нескольких очень тонких внутренних слоев с выполненными на них печатными проводниками. Слои спрессовываются в монолит посредством тонких листов препрега. Это стеклоткань с не полностью отвержденной эпоксидной пропиткой. Под действием температуры и давления между плитами пресса эпоксидная смола плавится, заполняя пространство между слоями, и отверждается.
После прессования края платы подравниваются — обрезается облой (вытечка смолы за края заготовки). Затем следуют операции обработки платы, подобные изготовлению двухсторонних плат: сверление, очистка отверстий от наноса смолы и металлизация отверстий. После проведения металлизации на внешних слоях травлением выполняют рисунок схемы, наносят паяльную маску и финишные покрытия для обеспечения пайки монтажных элементов.
Увеличение плотности межсоединений
При изготовлении многослойных печатных плат методом металлизации сквозных отверстий (базовый метод) сквозные отверстия пронизывают все слои, занимая те области, где могли бы проходить трассы печатных проводников. Чтобы освободить эти трассировочные пространства, в конструкцию плат вводят, где это возможно, не сквозные, а глухие и скрытые (внутренние) отверстия — межслойные переходы. На рис. 2 приведена структура такой МПП, где использованы оба элемента с целью увеличения плотности межсоединений.
Медная фольга
Тонкие фольги почти всегда изготавливаются электрохимическими методами (рис. 3) и по международной классификации обозначаются ED (Electrochemical deposition). В случае повышенных требований к прецизионному рисунку проводников может быть использована термостойкая фольга, обозначаемая как HTE (Hightemperature electrochemical). Обладая большей гибкостью, такие фольги в меньшей степени подвержены образованию на них трещин при высоких температурах, например при машинной пайке. В подобных случаях HTE-фольги благодаря своей гибкости лучше выдерживают температурное расширение материала оснований плат.
Имеет значение и шероховатость медной фольги, которая образуется в высокочастотной технике, — скин-эффект вынуждает сигнал распространяться в поверхностном слое, то есть повторять профиль фольги и, значит, удлинять путь его распространения.
Кроме того, использование фольги со стандартной шероховатостью на прецизионных платах может привести к сильному подтравливанию проводников, так как для удаления всех остатков шероховатости из эпоксидного слоя платы процесс должен быть достаточно продолжительным. Поэтому получила распространение тонкая медная фольга. Тонкое сечение фольги обеспечивает лучшие условия травления и позволяет более точно сформировать толщину диэлектрического материала между слоями платы. Особенно это важно для многослойных плат с определенным волновым сопротивлением, поскольку одним из его определяющих параметров является эффективная толщина диэлектрика между сигнальным слоем и экраном.
Существуют также фольги с шероховатостью обеих сторон. Шероховатость второй стороны позволяет избежать необходимости в процессе черного окисления. Однако с подобной фольгой связана проблема, ограничивающая ее применение, ограничивающие их применение: шероховатость внешней поверхности затрудняет снятие резиста.
Стандартные значения толщины медной фольги приведены в таблице 1. Из-за шероховатости поверхности трудно контролировать толщину фольги обычными средствами линейных измерений. Поэтому принято оценивать толщину фольги по массе определенной площади. По зарубежным стандартам эта оценка состоит в массе, выраженной в унциях (oz.), приходящейся на квадратный фут.
мкм |
5 |
9 |
12 |
17,5 |
35 |
70 |
oz. |
0,14 |
0,25 |
0,34 |
0,5 |
1 |
2 |
Для некоторых проектов изготовляют силовые платы из очень толстых фольг. В таких случаях, например для больших компьютерных плат с мощным потреблением, требуется фольга толщиной 210 мкм.
Для внешних слоев прецизионных плат часто используют сверхтонкие медные фольги — 5 и 9 мкм толщиной, которые не могут существовать самостоятельно. В таких случаях предпочтительна медь, химически нанесенная на несущее алюминиевое основание. Медный слой остается на поверхности платы при прессовании и сверлении отверстий. Несущая алюминиевая фольга, обычно 40 мкм толщиной, снимается перед литографическим процессом.
Медные фольги служат медным покрытием для тонких оснований внутренних слоев. С разных сторон основания медные покрытия могут иметь разную толщину, например 18 мкм с внешней стороны (для проводящего рисунка) и 35 мкм с внутренней стороны (для токонесущих слоев).
В зависимости от ширины дорожек и расстояний межу ними для проводящего рисунка внешних слоев используют медную фольгу толщиной 18 или 35 мкм. Для прецизионных плат с высокой плотностью рисунка применима лишь сверхтонкая фольга толщиной 5 или 9 мкм, обеспечивающая требуемую четкость рисунка при травлении платы.
Для внутренних проводящих слоев обычно предназначена фольга толщиной 35 мкм. Чем больше толщина медной фольги, тем труднее успешно произвести травление платы с соблюдением допусков на ширину дорожек и расстояния между ними.
Под силовые цепи может быть использована медная фольга толщиной 35 или 70 мкм. При более толстой фольгесложнее заполнить эпоксидной смолой пространства между толстыми проводниками при прессовании платы с помощью препрега. Поэтому для силовых цепей предпочтительна все же медная фольга толщиной 35 мкм. По возможности следует избегать применения 70‑мкм фольги, так как в процессе производства могут возникнуть серьезные трудности.
Тонкие основания
Тонкие основания являются сердцевиной плат; по своей толщине тонкие основания представлены настолько широко (от 50 до 760 мкм), что выполнимы требования практически любого заказа.
Очень важно контролировать направления переплетения стеклоткани, чтобы избежать коробления и искривления материалов оснований плат. Коробление происходит вдоль волокон стеклоткани, а искривление — поперек. Во избежание перекоса многослойных плат следует совмещать направления переплетения всех слоев оснований и препрега. В этом смысле технология плат противоположна технологии строения фанеры, где каждый слой поворачивают на 90° по отношению к предыдущему.
Препрег
Препрег служит для скрепления отдельных слоев жестких тонких оснований в многослойную плату. Он представляет собой пропитанную эпоксидной смолой стеклоткань. В отличие от эпоксидной смолы в жестких основаниях, в препреге она полимеризована не полностью. Такое ее полуотвержденное состояние обозначается как стадия В. В этой стадии листы препрега не являются липкими; в процессе прессования платы эпоксидная смола в них сначала становится жидкой, а по окончании процесса полностью отвердевает. В то же время эпоксидная смола в тонких жестких основаниях жидкой не становится, а лишь размягчается.
Препрег характеризуется рядом своих параметров. Те из них, которые важны в процессе стапелирования многослойных плат, приведены ниже, те же, что важны в процессе прессования, будут рассмотрены позже.
Листы препрега могут иметь различную толщину, в таблице 2 приведены ее возможные значения.
Тип |
Толщина после прессования |
Содержание смолы |
мм |
% |
|
104 |
0,036 |
77 |
106 |
0,045 |
75 |
108/1080 |
0,068 |
60 |
112/2112 |
0,09 |
57 |
2125 |
0,108 |
52 |
7628 |
0,185 |
40 |
В зависимости от наноса смолы толщина препрега после прессования для каждого типа стеклоткани может быть различна. В таблице 3 приведены ее значения для стеклоткани типа 108.
Вариант |
Толщина после прессования |
Содержание смолы |
мм |
% |
|
А |
0,068 |
60 |
В |
0,06 |
58 |
С |
0,064 |
63 |
Если при изготовлении препрега или в процессе прессования стеклоткань не полностью смачивается эпоксидной смолой, то возникает риск миграции меди по слоям платы (по стеклоткани). Это может привести к возникновению в плате коротких замыканий. Для предотвращения миграции меди необходимо сформировать минимум два слоя препрега. Все листы препрега должны быть одной марки, так как от некоторых характеристик препрега (а у разных марок они разные) зависит качество платы.
При изготовлении многослойных плат с определенным волновым сопротивлением важным фактором является диэлектрическая проницаемость. Для стекла она равна 9,6, а для эпоксидной смолы — 3,4. Листы препрега с высоким содержанием смолы имеют достаточно низкую диэлектрическую проницаемость — около 4,3. Толстые листы препрега с меньшим содержанием смолы обладают более высокой диэлектрической проницаемостью — до 5,4. Тонкие жесткие основания плат могут иметь разные диэлектрические свойства, поэтому путем подбора листов препрега и тонких оснований достигается требуемое волновое сопротивление линий передачи платы.
Температура стеклования
Термические свойства смолы определяются ее переходной температурой (Tg), измеряемой в °C. Самое важное свойство смолы — ее термическое расширение. При измерении зависимости расширения от температуры получается кривая, приведенная на рис. 4. На этом графике значение Tg находится в точке пересечения двух касательных к кривой расширения. При температуре ниже Tg эпоксидная смола твердая, при большей температуре она размягчается и становится вязкой.
У наиболее часто используемых сортов базового материала FR4 Tg лежит в пределах +115…+130 °C, а потому имеет место ее превышение в процессе пайки (+230…+260 °C). При этом происходит расширение платы по оси Z, в результате чего медь на стенках отверстий растягивается. Поскольку степень расширения эпоксидной смолы в 15–20 раз превосходит степень расширения меди (при температурах выше Tg), то появляется опасность возникновения трещин в сквозных металлизированных отверстиях. И чем больше смолы в составе композиционного основания платы, тем выше риск разрушения металлизации отверстий. При температурах ниже Tg степень расширения смолы превосходит степень расширения меди лишь в 3 раза, соответственно, опасность возникновения трещин при температурах эксплуатации гораздо меньше.
Внутренние слои
Назначение
Формирование внутреннего рисунка многослойных плат.
Процесс
Наиболее распространенные виды внутренних слоев производятся по той же технологии, что и двусторонние ПП. Отличие состоит лишь в том, что внутренние слои очень тонкие и поэтому могут изгибаться при изготовлении, например в процессе травления. Вот почему требуется принимать специальные меры для их перемещения по конвейеру травильной машины. В большинстве случаев сверление оснований внутренних слоев для формирования металлизированных отверстий не выполняют. Изготовление внутренних оснований с металлизированными отверстиями (скрытыми или глухими) предполагает более сложные процессы обработки. В этом случае сверление и металлизация отверстий должно быть произведено до прессования слоев.
Внутренние слои разделяют на следующие виды:
- двусторонние внутренние слои, травленные с одной стороны;
- двусторонние внутренние слои, травленные с обеих сторон;
- двусторонние внутренние слои с металлизированными (переходными) отверстиями;
- внутренние и внешние слои с глухими металлизированными (переходными) отверстиями.
Двусторонние внутренние слои, травленные с одной стороны
Основания внутренних слоев покрыты с обеих сторон медью; с той стороны, которая должна остаться непротравленной, наносят защитный резист. В многослойных структурах такие слои АВ и СD с невытравленной фольгой на одной из сторон используются для формирования внешних слоев, как показано на рис. 5.
Сверление сквозных отверстий, их металлизация, травление рисунка внешних сторон на слоях А и D выполняются после прессования платы.
Двусторонние внутренние слои, травленные с обеих сторон
Основания слоев — диэлектрики, покрытые с двух сторон медной фольгой. После травления рисунка на обеих сторонах слоя он становится таким, как показано на рис. 6, и в таком виде запрессовывается в многослойную структуру.
Двусторонние внутренние слои со скрытыми переходными отверстиями
Сквозные металлизированные отверстия занимают значительное пространство на всех внутренних и внешних слоях, тем самым уменьшая трассировочное пространство. Для компенсации этого недостатка приходится увеличивать количество слоев, растет толщина платы, затрудняется процесс ее изготовления. Альтернатива процессу металлизации сквозных отверстий — межсоединения двух сторон на внутренних слоях. Для этого на них выполняют тонкие металлизированные отверстия в виде переходных отверстий диаметром 0,4 мм или менее. Переходные отверстия соединяют только две стороны внутреннего слоя и не затрагивают остальные слои платы (рис. 7). Использование переходных отверстий подразумевает, что внутренние слои должны быть изготовлены как двусторонние платы, что сказывается на их стоимости.
Благодаря небольшой толщине внутренних слоев возможно сверление и металлизация тонких отверстий — 0,2 и менее, вплоть до 0,05 мм. Малые отверстия в тонких слоях имеют низкое отношение толщины слоя к диаметру отверстия, что обеспечивает хорошие условия для металлизации.
Изготовление внутренних слоев с переходными отверстиями производится аналогично рассмотренному в [1] производству двусторонних печатных плат. При прессовании МПП переходные отверстия заполняются эпоксидной смолой, выдавливаемой из слоев препрега. Для обеспечения надежности межсоединений необходимо полное заполнение переходных отверстий смолой, а толщина медного покрытия стенок отверстий должна быть не менее 15 мкм.
Внутренние и внешние слои с глухими переходными отверстиями
Глухие переходные отверстия служат для соединения внешнего рисунка платы со смежным внутренним. Очень важно их использование в платах с поверхностным монтажом компонентов, так как глухие отверстия специально заполняют, чтобы в процессе пайки припой с близлежащих контактов в них не стекал. Это означает, что становится возможным помещение глухих отверстий непосредственно под монтажными контактными площадками. С помощью этой методики достигается значительное высвобождение монтажного пространства на поверхности платы. В то же время это достаточно дорогостоящая технология. Существует несколько методов производства глухих переходных отверстий.
Условное сверление
В данном методе применяется обычное оборудование для изготовления ПП. Производится сверление и химическая металлизация с гальванической затяжкой отверстий в тонком основании, как для обычной двусторонней платы. Затем выполняется рисунок внутреннего слоя, для чего основание слоя гальванически покрывают медью и оловом-свинцом или оловом. Другими словами, внутренняя сторона тонкого основания металлизируется по рисунку, а внешняя — по всей поверхности; рисунок на внешней поверхности будет выполнен позже. По завершении травления и удаления олова-свинца или олова основание готово к прессованию. На рис. 8 показан внешний слой с глухим металлизированным отверстием.
В процессе прессования все глухие переходные отверстия заполняются эпоксидной смолой из листов препрега. Во избежание вытекания смолы на внешнюю поверхность платы отверстия обычно перекрывают тефлоновой пленкой на время прессования. После зачистки медной поверхности от возможных следов смолы плату окончательно обрабатывают по технологии двусторонних плат (рис. 9).
Так как металлизация внешней стороны в этом варианте производится по всей поверхности, толщина медного слоя на 20–30% больше обычного. В результате при травлении толстого слоя меди может получиться сильное подтравливание, если только не использовать материал слоя со сверхтонкой медной фольгой, например толщиной 9 мкм. Сильное подтравливание не позволяет получить рисунок с малой шириной проводников и зазоров, то есть не способствует увеличению плотности межсоединений на плате.
Другой метод основан на использовании сверлильного станка с управляемым заглублением сверла. В этом варианте переходные отверстия сверлят не насквозь, а лишь на ограниченную глубину — до медных контактных площадок смежного внутреннего слоя, что требует высокой точности заглубления сверления (рис. 10).
Глубина глухих отверстий небольшая — 0,2–0,3 мм, обычно она соизмерима с толщиной слоя. Это нужно для обеспечения обмена электролита при металлизации глухих отверстий. Еще одно условие — слой изоляции от дна отверстия до нижележащего слоя меди должен быть не менее 0,25 мм.
Лазерное сверление микропереходных отверстий
При массовом выпуске многослойных плат микропереходные отверстия выполняют лазерным сверлением. Описание технологии лазерного сверления будет приведено позже.
Одним из самых важных преимуществ является производительность лазерного сверления. Многослойные платы, например для мобильных телефонов, обладают очень большим количеством отверстий. В каждой партии таких плат может быть до 30 млн микропереходных отверстий, поэтому очень важна производительность используемого оборудования. Так, некоторые станки лазерного сверления выполняют на одной заготовке 10 000 отверстий за 75 с; если к этому времени добавить время загрузки/выгрузки плат (по 10 с), то общее время составит 95 с на одну заготовку. В случае сверления 10 000 отверстий с нормированным заглублением потребуется почти 3 ч с учетом времени на смену сверл.
На рис. 11а показана форма отверстия, просверленного лазером. При недостаточной очистке после сверления на дне отверстия могут оказаться остатки смолы, как показано на рис. 11б. Несмотря на сложность проведения измерений, диаметр купола остатков смолы (d) не должен быть более 20–30% диаметра дна отверстия (D). В соответствии с некоторыми спецификациями, D должен быть не менее 50 мкм, а толщина медного покрытия стенок отверстия — не менее 15 мкм. На рис. 11в показано закрывшееся микропереходное отверстие, полое внутри. Следует избегать подобного закупоривания, так как внутри оказывается незащищенная медь и, возможно, некоторое количество электролита.
Наращивание внешнего слоя платы основано на использовании покрытой смолой медной фольги. Как видно из рис. 12, смола представлена двумя слоями: один — смола в стадии С‑отверждения (полностью отвержденная), второй — полуотвержденная смола в стадии В.
В структуре нанесенной на фольгу пленки не используется стеклянное армирование, поэтому изготовление микропереходных отверстий может быть легко проведено с помощью лазерных или плазменных процессов. Фольгированная пленка наносится на стеклоэпоксидное основание платы (рис. 11а).
Толщина медной фольги обычно 18 мкм; слои смолы В‑ и С‑стадий могут быть толщиной от 25 до 35 мкм.
В качестве альтернативного материала для технологии наращивания можно использовать листы препрега с нетканым арамидным наполнением и эпоксидным связующим.
Препрег
Назначение
Скрепление тонких внутренних слоев.
Обеспечение диэлектрического слоя между медными слоями.
Заполнение свободных пространств вытравленной меди.
Процесс
Очень важно проводить раскройку препрега так, чтобы все листы имели одинаковые направления плетения для предотвращения или уменьшения последующего коробления готовых плат. После этого необходимо пробить фиксирующие отверстия в соответствии с выбранной системой совмещения. Поскольку для листов препрега особой точности позиционирования не требуется, использование фиксирующих отверстий большего диаметра упрощает процесс.
Выбор толщины препрега
Очень важно обеспечить требуемую толщину диэлектрика между слоями. Для обеспечения надежности многослойной платы определяющим требованием является полное заполнение всех открытых участков рисунка внутренних слоев платы эпоксидной смолой.
Если нужно заполнить открытые пространства между слоями питания и «земли» силовых плат, особенно при использовании медной фольги толщиной более 70 мкм, требуется высокое содержание смолы в препреге. Для этого предназначены листы препрега с большим содержанием смолы. Если же обеспечение требуемой толщины слоя диэлектрика достигается использованием слишком большого числа листов препрега, большой объем смолы в них приведет к излишнему расширению платы по оси Z в процессе пайки, что создаст риск образования трещин в медном покрытии стенок отверстий. Также чрезмерное содержание смолы может привести к неравномерной толщине многослойной платы.
Толстые листы препрега обеспечивают лучшее наращивание толщины диэлектрика, поскольку содержат меньше смолы и обладают большей стабильностью размеров (толщины). Для еще лучшего наращивания диэлектрического слоя толстые листы препрега комбинируют с тонкими жесткими основаниями слоев с печатным рисунком.
Таким образом, использование тонких листов препрега целесообразно, когда нужно заполнить открытые пространства медного рисунка внутренних слоев. Толстые же листы препрега (при необходимости совместно с тонкими основаниями) необходимы для наращивания толщины диэлектрического слоя. В процессе наслаивания должны быть соблюдены правила, говорящие об одном и том же:
- Между двумя тонкими основаниями должно быть расположено как минимум два листа препрега.
- От одного медного слоя с фольгой 35 мкм до другого толщина диэлектрика должна быть не менее 75 мкм.
- Для достижения хорошего заполнения смолой пространств медного рисунка примыкающий слой препрега должен быть в два раза толще суммарной толщины меди на смежных слоях.
Пустоты при прессовании
При наличии пустот в заполнении рисунка смолой, особенно если была использована толстая медная фольга, во время химического нанесения меди последняя может заполнить эти пустоты и тем самым образовать короткое замыкание соседнего проводника и стенок отверстия (А на рис. 13). Применение нефункциональных контактных площадок исключает подобные ситуации (В на рис. 13). Но хотя в случае В у химической меди нет возможности заполнить пазуху в расслоении и образовать короткое замыкание, ее наличие все же снижает надежность МПП.
Отслоение металлизации отверстий
Часто возникает проблема отслоения металлизации отверстий. Происходит это в процессе пайки платы по причине слабой адгезии медного покрытия отверстий с материалом основания платы. Главной предпосылкой этого явления служит слишком гладкая поверхность стенок, возникающая от запекания смолы при сверлении.
Адгезия улучшается за счет выступающих волокон стеклоткани. Однако в тех местах платы, где наблюдается высокое содержание смолы, стенки отверстий становятся очень гладкими. В частности, это происходит при избытке смолы в зоне сверления. Использование нефункциональных контактных площадок уменьшает заполняемую смолой площадь и снижает вероятность отслоения стенок отверстий (рис. 14).
Трещины в металлизации и деформация контактных площадок отверстий
Как уже было сказано, при пайке плата сильно расширяется по оси Z. Это может привести к возникновению трещин в металлизации, разрыву связи металлизации с проводниками внутренних слоев и к приподнятию контактных площадок на внешних слоях (рис. 15).
Существует два способа предотвращения этого явления: обеспечение большей пластичности меди и использование материалов с большой Tg.
Продолжение.