Как нанести схему на печатную плату. Изготовление печатных плат. Фрезеровка или скрайбирование

DRC

У каждого производителя печатных плат существуют технологические ограничения на минимальную ширину дорожек, зазоры между дорожками, диаметры отверстий, и т.п. Если плата не соответствует этим ограничениям, производитель отказывается принимать плату к производству.

При создании файла печатной платы устанавливаются технологические ограничения по умолчанию из файла default.dru из каталога dru. Как правило, эти ограничения не соответствуют ограничениям реальных производителей, поэтому их нужно изменить. Можно настроить ограничения непосредственно перед генерацией файлов Gerber, но лучше сделать это сразу после создания файла платы. Для настройки ограничений нажимаем кнопку DRC

Зазоры

Расстояния

Минимальные размеры

Пояски

Маски

Запуск проверки

Генерация файлов в формате Gerber

Для файла сверловки устройство вывода (Device ) должно быть EXCELLON , а не GERBER_RS274X

Условиях на конкретном примере. Например, нужно изготовить две платы. Одна - переходник с одного типа корпуса на другой. Вторая - замена большой микросхемы с корпусом BGA на две поменьше, с корпусами TO-252, с тремя резисторами. Размеры плат: 10x10 и 15x15 мм. Есть 2 варианта изготовления печатных плат в : с помощью фоторезиста и методом "лазерного утюга". Воспользуемся методом "лазерного утюга".

Процесс изготовления печатных плат в домашних условиях

1. Готовим проект печатной платы. Я пользуюсь программой DipTrace: удобно, быстро, качественно. Разработана нашими соотечественниками. Очень удобный и приятный пользовательский интерфейс, в отличие от общепризнанного PCAD. Есть конвертация в формат PCAD PCB. Хотя многие отечественные фирмы уже начали принимать в формате DipTrace.

В DipTrace есть возможность узреть своё будущее творение в объёме, что весьма удобно и наглядно. Вот что должно получиться у меня (платы показаны в разных масштабах):

2. Сначала размечаем текстолит, выпиливаем заготовку для печатных плат.

3. Выводим наш проект на в зеркально отражённом виде в максимально возможном качестве, не скупясь на тонер. Путём долгих экспериментов была выбрана бумага для этого -- плотная матовая фотобумага для принтеров.

4. Не забудем почистить и обезжирить заготовку платы. Если нет обезжиривателя, можно пройтись по меди стеклотекстолита ластиком. Далее с помощью обыкновенного утюга "привариваем" тонер с бумаги к будущей печатной плате. Я держу 3-4 минуты под небольшим нажимом, до лёгкого пожелтения бумаги. Нагрев ставлю максимальный. Сверху кладу ещё один лист бумаги для более равномерного прогрева, иначе изображение может "поплыть". Важный момент здесь -- равномерность прогрева и нажима.

5. После этого, дав плате немного остыть, кладём заготовку с прилипшей к ней бумагой в воду, желательно горячую. Фотобумага быстро намокает, и через минуту-две можно аккуратно снять верхний слой.

В местах, где большое скопление наших будущих токопроводящих дорожек, бумага прилипает к плате особенно сильно. Её пока не трогаем.

6. Даём плате ещё пару минут отмокнуть. Остатки бумаги аккуратно снимаем с помощью ластика или трения пальцем.

7. Вынимаем заготовку. Просушиваем. Если где-то дорожки получились не очень чёткими, можно сделать их ярче тонким маркером для CD. Хотя лучше добиться того, чтобы все дорожки вышли одинаково чёткими и яркими. Это зависит от 1) равномерности и достаточности прогрева заготовки утюгом, 2) аккуратности при снятии бумаги, 3) качества поверхности текстолита и 4) удачного подбора бумаги. С последним пунктом можно поэкспериментировать, чтобы найти наиболее подходящий вариант.

8. Кладём получившуюся заготовку с отпечатанными на ней будущими дорожками-проводниками в раствор хлорного железа. Травим часа 1,5 или 2. Пока ждём, накроем нашу "ванночку" крышкой: испарения достаточно едкие и токсичные.

9. Достаём из раствора готовые платы, промываем, сушим. Тонер от лазерного принтера замечательно смывается с платы с помощью ацетона. Как видно, даже самые тонкие проводники шириной 0,2 мм вышли вполне хорошо. Осталось совсем немного.

10. Лудим изготовленные методом "лазерного утюга" печатные платы. Смываем бензином или спиртом остатки флюса.

11. Осталось только выпилить наши платы и смонтировать радиоэлементы!

Выводы

При определённой сноровке метод "лазерного утюга" подходит для изготовления несложных печатных плат в домашних условиях. Вполне чётко получаются короткие проводники от 0,2 мм и шире. Более толстые проводники получаются совсем хорошо. Времени на подготовку, эксперименты с подбором типа бумаги и температуры утюга, травление и лужение уходит примерно 3-5 часов. Но это гораздо быстрее, чем если заказывать платы в фирме. Денежные затраты также минимальны. В общем, для простых бюджетных радиолюбительских проектов метод рекомендуется к использованию.

КАК ДЕЛАЮТ ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТ Ы ? (Автор А.Акулин)

Вкратце остановимся на наиболее распространенном технологическом процессе изготовления печатных плат (ПП) – гальванохимической субтрактивной технологии. Основой печатной плат ы является подложка из стеклотекстолит а – диэлектрика, представляющего собой спрессованные листы стеклоткани, пропитанной эпоксидным компаундом. Стеклотекстолит производят и отечественные завод ы – одни выпускают его из своего сырья, другие закупают пропитанную стеклоткань за рубежом и только прессуют ее. К сожалению, практика показывает, что наиболее качественные ПП получаются на импортном материале – плат у не коробит, медная фольга не отслаивается, стеклотекстолит не расслаивается и не выделяет газы при нагреве. Поэтому повсеместно применяют импортный стеклотекстолит типа FR-4 – стандартизированный огнеупорный материал.

Для изготовления двухсторонней ПП (ДПП ) используется стеклотекстолит , с обеих сторон ламинированный медной фольгой. Сначала на плат е сверлят отверстия, подлежащие металлизации. Затем они подготавливаются к осаждению металла – производится их химическая очистка, выравнивание и «активация» внутренней поверхности.

Для формирования проводников на поверхность медной фольги наносится фоторезистивный материал, полимеризующийся на свету (позитивный процесс). Затем плат а засвечивается через фотошаблон – пленку, на которую на фотоплоттере нанесен рисунок проводников ПП (где проводники непрозрачны). Фоторезист проявляется и смывается в тех местах, где он не был засвечен. Открытыми оказываются только участки, где должны остаться медные проводники.

Далее производят гальваническое нанесение меди на стенки отверстий. При этом медь осаждается как внутри отверстий, так и на поверхность плат ы , поэтому толщина проводников складывается из толщины медной фольги и слоя гальванической меди. На открытые участки меди гальванически осаждают олово (или золото), а оставшийся фоторезист смывают специальным раствором. Далее медь, не защищенная оловом, стравливается. При этом проводники в сечении приобретают форму трапеции – агрессивное вещество постепенно «съедает» наружные слои меди, прокрадываясь под защитный материал.

Как правило, на ПП наносится паяльная маска (она же «зеленка») – слой прочного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Маска закрывает проводники и оставляет открытыми контактные площадки и ножевые разъемы. Способ нанесения паяльной маски аналогичен нанесению фоторезиста – при помощи фотошаблона с рисунком площадок нанесенный на ПП материал маски засвечивается и полимеризуется, участки с площадками для пайки оказываются незасвеченными и маска смывается с них после проявки. Чаще всего паяльная маска наносится на слой меди. Поэтому перед ее формированием защитный слой олова снимают – иначе олово под маской вспучится от нагревания плат ы при пайке. Маркировка компонентов наносится краской, методом сеткографии или фотопроявления.

На готовой печатной плат е, защищенной паяльной маской, площадки для пайки покрываются оловянно-свинцовым припоем (например, ПОС-61). Наиболее современный процесс его нанесения – горячее лужение с выравниванием воздушным ножом (HAL – hot air leveling). Плат у погружают на короткое время в расплав припоя, затем направленной струей горячего воздуха продувают металлизированные отверстия и снимают излишки припоя с площадок.

В покрытой припоем плат е сверлят крепежные отверстия (в них не должно быть внутренней металлизации), фрезеруют плат у по контуру, вырезая из завод ской заготовки, и передают на конечный контроль. После визуального просмотра и/или электрического тестирования плат ы упаковывают, снабжают биркой и отгружают на склад.

Многослойные печатные плат ы (МПП ) более сложны в производстве. Они представляют собой как бы слоеный пирог из двухсторонних плат , между которыми проложены прокладки из стеклоткани, пропитанной в эпоксидной смоле – этот материал называется препрег, его толщина – 0,18 или 0,10 мм.

После выдерживания такого ‛пирога‛ под прессом при высокой температуре получается многослойная заготовка с готовыми внутренними слоями. Она проходит все те же операции, что и ДПП . Заметим, что типовая структура МПП предполагает наличие дополнительных слоев фольги в качестве наружных. То есть для четырехслойной плат ы , например, берется двухстороннее ядро и два слоя фольги, а для шестислойной плат ы – два двухсторонних ядра и два слоя фольги снаружи. Возможная толщина ядер – 0,27; 0,35; 0,51; 0,8 и 1,2 мм, фольги – 0,018 и 0,035 мм.

Особый класс МПП – плат ы с несквозными межслойными переходными отверстиями. Переходные отверстия, идущие с наружного слоя на внутренний, называют «слепыми» (или «глухими»), а отверстия между внутренними слоями – ‛скрытыми‛ (или «погребенными»). Плат ы с несквозными отверстиями позволяют реализовать гораздо более плотную разводку схемы, но значительно дороже в производстве. Как правило, у каждого производителя имеются определенные ограничения на то, между какими именно слоями можно выполнить межслойные отверстия, поэтому перед созданием проекта следует с ним проконсультироваться.

ТИПОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТ Ы

Общие параметры . Размеры элементов плат ы должны соответствовать требованиям ГОСТ 23751 для 3–5 классов точности – в зависимости от возможностей производителя. Типовая толщина плат ы – 1,6 мм (бывает 0,8; 1,0; 1,2; 2,0 мм). У ПП толще 2 мм могут возникнуть проблемы с металлизацией отверстий.

Типовая толщина медной фольги – 35 и 18 мкм. Толщина наращиваемой меди на проводниках и в отверстиях составляет еще примерно 35 мкм.

Переходные отверстия и проводники . Для хорошего отечественного производства, изготавливающего ПП по 4-му классу точности, типовое значение зазоров и проводников составляет 0,2 мм, минимальное – 0,15 мм. Оптимально использовать в исходных данных проводники 0,2 мм с зазором 0,15 мм. В рисунке проводников следует избегать острых углов.

Переходные отверстия: типовое/минимальное значение площадки 1,0/0,65 мм, отверстие – 0,5/0,2 мм, сверло – 0,6/0,3 мм. У сквозных отверстий для штыревого монтаж а диаметр площадки должен быть на 0,4–0,6 мм больше, чем диаметр отверстия (рис.1).

Для уменьшения вероятности срыва гарантийного пояска рекомендуется в месте присоединения проводника к площадке делать каплевидное утолщение (рис.2).

Планарные площадки . Вырез в маске должен быть больше размеров площадки по крайней мере на 0,05 мм, оптимальный вариант – по 0,1 мм с каждой стороны. Минимальная ширина полоски паяльной маски между площадками – 0,15 мм. Подсоединять площадки к полигонам лучше не сплошным контактом, а через проводники с зазором, предотвращающим отток тепла от площадки при монтаж е (рис.3). Линии маркировки не должны проходить поверх площадок для пайки. Ширина линии и зазор – 0,2 мм.

Особенности элементов МПП . Внутренние площадки в МПП надо делать на 0,6–0,8 мм больше, чем диаметр отверстия. Отторжение плана питания во внутренних слоях – не менее 0,2 и 0,4 мм с каждой стороны площадки и отверстия, соответственно.

Для уменьшения деформации печатной плат ы необходимо добиться максимальной симметричности рисунка и структуры внутренних слоев. По углам МПП необходимы крепежные отверстия диаметром 2–4 мм для проведения электроконтроля. Отторжение плана питания от крепежных отверстий – не менее 0,5 мм с каждой стороны отверстия.

Слепые и скрытые переходные отверстия . Для «слепых» отверстий, изготавливаемых сверлением с контролем глубины, соотношение диаметра и глубины должно быть не менее чем 1:1. Нормы проектирования для «скрытых» отверстий, изготовленных методом металлизации отверстий при подготовке внутренних слоев, такие же, как и для сквозных отверстий.

Источник информации: ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 4/2001 ---

В этой статье мы поговорим о методе переноса рисунка разведенной печатной платы на текстолит с помощью лазерного принтера. Будет рассмотрен именно более современный метод ЛУТ. Если раньше, в советское время, для того чтобы защитить слой медной фольги на текстолите, приходилось наносить рисунок с помощью разных лаков, кто-то пользовался битумным лаком, кто-то даже растворял в растворителе кусочек гудрона которым покрывают крыши и рисовал получившимся раствором, консистенции лака.

Битумный лак

Некоторые для этих целей пользовались лаком для ногтей. Но при рисовании лаком с помощью рейхсфедера (как в принципе и при рисовании чем-либо другим) на плате было трудно внести какие либо исправления. При попытке счистить часть рисунка нанесенного лаком, нередко лак скалывался там, где это не было нужно. Причем такая работа требовала большой аккуратности и отнимала значительное время.

С появлением в продаже перманентных маркеров, ситуация значительно упростилась, стало достаточно нарисовать рисунок маркером, прямо на фольгированном текстолите в несколько слоев. Но у этого способа также есть недостатки, при травлении хлорным железом или другими реактивами, часто случались подтравы на дорожках. Именно для этой цели, чтобы лучше защитить рисунок печатной платы, мы и рисовали рисунок в несколько слоев. Я пользуюсь для рисования дорожек на печатных платах, а также для того чтобы подправить переносимый рисунок методом ЛУТ, в случае если перенос рисунка, в каком-либо месте осуществился не полностью, вот такими маркерами:

Ранее мной были приобретены 3 разных маркера, в результате их использования на платах все равно были подтравы. После мне подарили набор таких маркеров, 4 штуки разных цветов. Результат отличный, почти нет подтравов.

К тому же эти маркеры двусторонние, с одного конца у них пишущий стержень обычной толщины, на втором конце стержень очень тонкий, по ширине, черта проведенная им, получается почти как у шариковой ручки.

Это удобно, если у нас на плате есть две близко расположенные дорожки, а между ними нужно проложить еще одну дорожку. Разумеется, так, чтобы они не сливались, здесь как раз выручает тонкий стержень маркера. И наконец, перейдем к самому популярному методу переноса рисунка на текстолит к методу ЛУТ. Этот метод незаменим, когда нужно перенести сложную по топологии печатную плату на текстолит. Если бы мы рисовали такую печатную плату маркером, у нас ушло бы, возможно, больше часа на такую работу. Метод ЛУТ позволяет выполнить ту же работу максимум за полчаса - сорок минут с более высоким качеством рисунка и несравнимо меньшими трудностями в переносе.

К тому же таким способом можно нанести буквенно - цифровые обозначения и контуры деталей с обратной стороны фольгированного текстолита, слой самодельной шелкографии. Что же понадобится нам для того, чтобы воспользоваться методом ЛУТ?

1. Разведенная печатная плата в любой программе для разводки печатных плат, с возможностью вывода на печать. Для начинающих рекомендую программу .

2. Кусочек фольгированного текстолита, отпиленный по размерам разведенной платы, хорошо подходит импортный текстолит FR-4.

3. Утюг, желательно самый простой советский, без электронной регулировки температуры.

4. Уайтспирит, бензин Калоша или растворитель, для того чтобы смыть тонер с платы после травления.

5. Мягкий абразивный круг или наждачная бумага “нулевка” для механической зачистки платы перед нанесением рисунка.

6. Моющее средство типа Фэйри или любой другое обезжиривающее.

7. Бумага для метода ЛУТ нужна не стандартная офисная. Здесь каждый находит себе бумагу по вкусу: кто-то предпочитает основу для самоклеящейся пленки типа ORAJET, её не нужно размачивать, достаточно после остывания аккуратно отклеить.

Кто-то предпочитает кальку, но так как калька тонкая и принтер её однозначно “зажуёт”, её нужно предварительно наклеивать на лист офисной бумаги. Некоторые используют бумагу для струйных фотопринтеров марки LOMOND, но она недешевая. Я предпочитаю для этих целей пользоваться тонкой бумагой из глянцевых журналов типа "Гламур" и подобных.

Лист обрезается по ширине листа А4, его можно заправлять сразу в принтер подобно офисной бумаге, без дополнительных манипуляций. То, что на нем находится рисунок, это нам не помеха. При печати следует помнить о том, что sprint layout по умолчанию выводит на печать зеркально, если требуется прямая печать, следует снять галочку на опции отображать зеркально в программе. При печати рекомендую делать на одном листе несколько копий платы на некотором расстоянии одна от другой. С учетом того чтобы бумаги хватило на загиб вокруг платы.

После того, как мы механически зачистили плату, её нужно промыть с Фейри (Fairy ) и дать просохнуть. Трогать фольгу пальцами после этого нельзя. Далее загибаем бумагу вокруг платы, для того чтобы плата получилась строго по центру, можно в программе разводя плату нанести контур платы, или хотя бы сделать уголки.

Этот контур выведется на печать и перенесется на текстолит, но он нам не мешает, если конечно плата сделана грамотно и контур ничего не замыкает. Толщину линий рекомендую 0.1 мм. При желании, эти уголки или контур, после травления и смывания контура (он останется в виде фольги на плате) можно механически удалить с платы (соскрести ножом). Бумагу с обратной стороны платы можно закрепить кусочками изоленты.

Травление платы

Что касается протравливания дорожек, есть много различных методов. Можно сделать например травление медным купоросом:

1. Три столовые ложки с горкой, медного купороса.
2. Три столовые ложки с горкой, соли пищевой.
3. 500 грамм воды

При травлении, нагреваю на паровой бане, и занимает от 30мин до 2 часов. При попадании легко смывается или застирывается, следов не оставляет.

На утюге ставим максимальный нагрев, ждем когда нагреется, кладем плату на ровную твердую поверхность, можно кусок фанеры, и проложив лист бумаги между утюгом и нашей бумажной основой, глянцевой бумагой, в течение минуты тщательно проглаживая, сильно надавливая, утюжим плату, расположенную, разумеется, фольгой кверху. После выключаем утюг, плате обязательно даем остыть минут 15! Если мы пользовались глянцевой бумагой, кладем нашу плату в теплую воду, ждем полчаса и начинаем подушечками пальцев скатывать бумагу в комочки. Отдирать бумагу нельзя! После того, как всю бумагу скатали, у нас остаются дорожки с тонером белесого цвета (из-за вкраплений оставшейся бумаги). Смываем тонер растворителем или бензином Калошей, отмываем плату дочиста от грязи, особенно много грязи бывает, когда удаляешь рисунок нанесенный маркером.

После того, как очистили плату, её для лучшей пайки необходимо залудить, покрыть дорожки слоем припоя, это легко можно сделать, набрав немного припоя на демонтажную оплетку. Также плату можно залудить сплавом . Обзор технологии подготовил - AKV.

Физико-механические свойства ма­териалов должны удовлетворять уста­новленным ТУ и обеспечивать качест­венное изготовление ПП в соответст­вии с типовыми ТП. Для изготовле­ния плат применяют слоистые плас­тики – фольгированные диэлектрики, плакированные электролитической медной фольгой толщиной 5, 20, 35, 50, 70 и 105 мкм с чистотой меди не менее 99,5 %, шероховатостью поверх­ности не менее 0,4–0,5 мкм, которые поставляются в виде листов размера­ми 500×700 мм и толщиной 0,06–3 мм. Слоистые пластики должны об­ладать высокой химической и терми­ческой стойкостью, влагопоглощением не более 0,2–0,8 %, выдерживать термоудар (260°С) в течение 5–20с. Поверхностное сопротивление диэлектриков при 40°С и относительной влажности 93 % в течение 4 сут. долж­но быть не менее 10 4 МОм. Удельное объемное сопротивление диэлектри­ка – не менее 5·10 11 Ом·см. Проч­ность сцепления фольги с основанием (полоска шириной 3мм) – от 12 до 15 МПа. В качестве основы в слоистых пла­стиках используют гетинакс , представ­ляющий собой спрессованные слои электроизоляционной бумаги, пропи­танные фенольной смолой, стеклотекстолиты – спрессованные слои стекло­ткани, пропитанные эпоксифенольнои смолой, и другие материалы (табл. 2.1).

Табл.2.1. Основные материалы для изготовления плат.

Гетинакс, обладая удовлетворитель­ными электроизоляционными свойст­вами в нормальных климатических условиях, хорошей обрабатываемо­стью и низкой стоимостью, нашел применение в производстве бытовой РЭА. Для ПП, эксплуатируемых в сложных климатических условиях с широким диапазоном рабочих темпе­ратур (– 60...+180°С) в составе элек­тронно-вычислительной аппаратуры, техники связи, измерительной техни­ки, применяют более дорогие стекло текстолиты. Они отличаются широ­ким диапазоном рабочих температур, низким (0,2 – 0,8 %) водопоглощением, высокими значениями объемного и поверхностного сопротивлений, стой­костью к короблению. Недостатки– возможность отслаивания фольги при термоударах, наволакивание смолы при сверлении отверстий. Повышение огнестойкости диэлектриков (ГПФ, ГПФВ, СПНФ, СТНФ), используемых в блоках питания, достигается введе­нием в их состав антипиренов (напри­мер, тетрабромдифенилпропана).

Для изготовления фольгированных диэлектриков используется в основном электролитическая медная фольга, од­на сторона которой должна иметь гладкую поверхность (не ниже вось­мого класса чистоты) для обеспечения точного воспроизведения печатной схе­мы, а другая должна быть шерохова­той с высотой микронеровностей не менее 3 мкм для хорошей адгезии к диэлектрику. Для этого фольгу под­вергают оксидированию электрохимическим путем в растворе едкого натра. Фольгирование диэлектриков осуще­ствляют прессованием при температу­ре 160 – 180°С и давлении 5 –15 МПа.

Керамические материалы характери­зуются высокой механической проч­ностью, которая незначительно изме­няется в диапазоне температур 20–700°С, стабильностью электрических и геометрических параметров, низки­ми (до 0,2%) водопоглощением и газовыделением при нагреве в вакууме, однако являются хрупкими и имеют высокую стоимость.

В качестве металлической основы плат используют сталь и алюминий. На стальных основаниях изолирова­ние токоподводящих участков осуще­ствляют с помощью специальных эма­лей, в состав которых входят оксиды магния, кальция, кремния, бора, алю­миния или их смеси, связка (поливинилхлорид, поливинилацетат или метилметакрилат) и пластификатор. Пленку наносят на основание путем прокатки между вальцами с последующим вжиганием. Изолирующий слой толщиной от нескольких десятков до сотен микрометров с сопротивлением изоляции 10 2 – 10 3 МОм на поверхно­сти алюминия получают анодным ок­сидированием. Теплопроводность ано­дированного алюминия 200 Вт/(м·К), а стали – 40 Вт/(м·К). В качестве основы для ПП СВЧ-диапазона используют неполярные (фто­ропласт, полиэтилен, полипропилен) и полярные (полистирол, полифениленоксид) полимеры. Для изготовления микроплат и микросборок СВЧ-диапазона применяют также керамиче­ские материалы, имеющие стабильные электрические характеристики и гео­метрические параметры.

Полиамидная пленка используется для изготовления гибких плат, обла­дающих высокой прочностью на рас­тяжение, химической стойкостью, не­сгораемостью. Она имеет наиболее высокую среди полимеров темпера­турную устойчивость, так как не теря­ет гибкости от температур жидкого азота до температур эвтектической пайки кремния с золотом (400°С). Кроме того, она характеризуется низ­ким газовыделением в вакууме, радиа­ционной стойкостью, отсутствием на­волакивания при сверлении. Недос­татки – повышенное водопоглощение и высокая стоимость.

Формирование рисунка схемы.

Нанесение рисунка схемы или за­щитного рельефа требуемой конфигу­рации необходимо при осуществлении процессов металлизации и травления. Рисунок должен иметь четкие грани­цы с точным воспроизведением тон­ких линий, быть стойким к травиль­ным растворам, не загрязнять платы и электролиты, легко сниматься после выполнения своих функций. Перенос рисунка печатного монтажа на фольгированный диэлектрик осуществляют методами сеткографии, офсетной пе­чати и фотопечати. Выбор метода за­висит от конструкции платы, требуе­мой точности и плотности монтажа, серийности производства.

Сеткографический метод нанесения рисунка схемы наиболее рентабелен для массового и крупносерийного производства плат при минимальной ширине проводников и расстоянии между ними > 0,5 мм, точность вос­произведения изображения ±0,1 мм. Суть заключается в нанесении на пла­ту специальной кислотостойкой крас­ки путем продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, в котором необходимый ри­сунок образован открытыми ячейками сетки (рис. 2.4).

Для изготовления трафарета ис­пользуют металлические сетки из не­ржавеющей стали с толщиной прово­локи 30–50 мкм и частотой плетения 60–160 нитей на 1 см, металлизиро­ванного нейлонового волокна, имею­щего лучшую эластичность, с толщи­ной нити 40 мкм и частотой плетения до 200 нитей на 1 см, а также из по­лиэфирных волокон и капрона

Од­ним из недостатков сеток является их растяжение при многократном использовании. Самой большой стойкостью обладают сетки из нержавеющей стали (до 20 тыс. отпечатков), метал­лизированных пластмасс (12 тыс.), по­лиэфирных волокон (до 10 тыс.), ка­прона (5 тыс.).

Рис. 2.4. Принцип трафаретной печати.

1 – ракель; 2 – трафарет; 3 – краска; 4 – основание.

Изображение на сетке получают с помощью экспонирования жидкого или сухого (пленочного) фоторезиста, после проявления которого образуют­ся открытые (свободные от рисунка) ячейки сетки. Трафарет в сеткографи­ческой раме устанавливают с зазором 0,5–2 мм от поверхности платы так, чтобы контакт сетки с поверхностью платы был только в зоне нажатия на сетку ракелем. Ракель представляет собой прямоугольную заточенную по­лосу резины, установленную по отно­шению к подложке под углом 60–70°.

Для получения рисунка ПП исполь­зуют термоотверждающиеся краски СТ 3.5;

СТ 3.12, которые сушат либо в термошкафу при температуре 60°С в течение 40 мин, либо на воздухе в те­чение 6 ч, что удлиняет процесс сеткографии. Более технологичными яв­ляются фотополимерные композиции ЭП-918 и ФКП-ТЗ с ультрафиолетовым отверждением в течение 10–15с, что является решающим фактором при автоматиза­ции процесса. При однократном на­несении покрытие зеленого цвета имеет толщину 15–25 мкм, воспроиз­водит рисунок с шириной линий и за­зорами до 0,25 мм, выдерживает погружение в расплав припоя ПОС-61 при температуре 260°С до 10 с, воз­действие спиртобензиновой смеси до 5 мин и термоциклирование в интер­вале температур от – 60 до +120 °С. После нанесения рисунка плату про­сушивают при температуре 60 °С в те­чение 5–8 мин, контролируют качест­во и при необходимости подвергают ретуши. Удаление защитной маски после травления или металлизации осуществляют химическим методом в 5 %-м растворе едкого натра в течение 10–20 с.

Табл. 2.2. Оборудование для трафаретной печати.

Для трафаретной печати использу­ют полуавтоматическое и автоматиче­ское оборудование, отличающееся фор­матом печати и производительностью (табл. 2.2). Автоматические линии тра­фаретной печати фирм Chemcut (США), Resco (Италия) имеют авто­матические системы подачи и уста­новки плат, движения ракеля и пода­чи резиста. Для сушки резиста приме­няют ИК-печитуннельного типа.

Офсетная печать применяется для крупносерийного производства ПП при малой номенклатуре схем. Разре­шающая способность 0,5–1 мм, точ­ность получаемого изображения со­ставляет ±0,2 мм. Суть метода в том, что в клише, несущее изображение схемы (печатные проводники, кон­тактные площадки), закатывается краска. Затем она снимается офсетным валиком, покрытым резиной, пе­реносится, на изоляционное основание и подвергается сушке. Клише и осно­вание платы располагаются друг за другом на основании машины для оф­сетной печати (рис. 2.5)

Рис.2.5. Схема офсетной печати.

1 – офсетный валик; 2 – клише; 3 – плата;

4 – валик для нанесения краски; 5 – прижимной валик.

Точность печати и резкость конту­ров определяются параллельностью валика и основания, типом и конси­стенцией краски. С помощью одного клише можно выполнить неограни­ченное число оттисков. Производи­тельность метода ограничена длитель­ностью колебательного цикла (нанесе­ние краски – перенос) и не превыша­ет 200–300 оттисков в час. Недостат­ки метода: длительность процесса изготовления клише, сложность измене­ния рисунка схемы, трудность получе­ния беспористых слоев, высокая стои­мость оборудования.

Фотографический метод нанесения рисунка позволяет получать минималь­ную ширину проводников и расстоя­ния между ними 0,1–0,15 мм с точ­ностью воспроизведения до 0,01 мм. С экономической точки зрения этот способ менее рентабельный, но по­зволяет получать максимальную раз­решающую способность рисунка и по­этому применяется в мелкосерийном и серийном производстве при изго­товлении плат высокой плотности и точности. Способ основан на исполь­зовании светочувствительных компози­ций, называемых фоторезистами ,ко­торые должны обладать: высокой чув­ствительностью; высокой разрешаю­щей способностью; однородным по всей поверхности беспористым слоем с высокой адгезией к материалу пла­ты; устойчивостью к химическим воз­действиям; простотой приготовления, надежностью и безопасностью приме­нения.

Фоторезисты разделяются на нега­тивные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием излучения образуют защитные участки рельефа в результате фотополимеризации и задубливания. Освещенные участки пе­рестают растворяться и остаются на поверхности подложки. Позитивные фо­торезисты передают рисунок фото­шаблона без изменений. При световой обработке экспонированные участки разрушаются и вымываются.

Для получения рисунка схемы при использовании негативного фоторезиста экспонирование производят через негатив, позитивного – через пози­тив. Позитивные фоторезисты имеют более высокую разрешающую способ­ность, что объясняется различиями в поглощении излучения фоточувстви­тельным слоем. На разрешающую спо­собность слоя влияют дифракционное огибание света на краю непрозрачно­го элемента шаблона и отражение све­та от подложки (рис. 2.6, а).

Рис.2.6. Экспонирование светочувствительного слоя:

а – экспонирование; б – негативный фоторезист; в – позитивный фоторезист;

1 –дифракция; 2 –рассеяние; 3 –отражение; 4 –шаблон; 5 – резист; 6 – подложка.

В негативном фоторезисте дифрак­ция не играет заметной роли, по­скольку шаблон плотно прижат к резисту, но в результате отражения во­круг защитных участков появляется ореол, который снижает разрешаю­щую способность (рис. 2.6, б). В слое позитивного резиста под влиянием дифракции разрушится и вымоется при проявлении только верхняя об­ласть резиста под непрозрачными уча­стками фотошаблона, что мало ска­жется на защитных свойствах слоя. Свет, отраженный от подложки, может вызвать некоторое разрушение прилегающей к ней области, но про­явитель эту область не вымывает, так как под действием адгезионных сил слой опустится вниз, вновь образуя четкий край изображения без ореола (рис. 2.6, в).

В настоящее время в промышлен­ности используются жидкие и сухие (пленочные) фоторезисты. Жидкие фоторезисты – коллоидные растворы синтетических полимеров, в частности поливинилового спирта (ПВС). Наличие гидроксильной груп­пы ОН в каждом звене цепи опреде­ляет высокую гигроскопичность и по­лярность поливинилового спирта. При добавлении к водному раствору ПВС бихромата аммония происходит «очув­ствление» последнего. Фоторезист на основе ПВС наносят на предваритель­но подготовленную поверхность пла­ты путем окунания заготовки, поли­вом с последующим центрифугирова­нием. Затем слои фоторезиста сушат в термошкафу с циркуляцией воздуха при температуре 40°С в течение 30–40 мин. После экспонирования осу­ществляется проявление фоторезиста в теплой воде. Для повышения хими­ческой стойкости фоторезиста на ос­нове ПВС применяют химическое дубление рисунка ПП в растворе хромового ангидрида, а затем термиче­ское дубление при температуре 120°С в течение 45–50 мин. Раздубливание (снятие) фоторезиста проводят в тече­ние 3–6 с в растворе следующего состава:

– 200–250 г/л щавелевой кисло­ты,

– 50–80 г/л хлористого натрия,

– до 1000 мл воды при температуре 20 °С.

Достоинства фоторезиста на основе ПВС – низкие токсичность и пожароопасность, проявление с помощью воды. К недостаткам его относят эф­фект темнового дубления (поэтому срок хранения заготовок с нанесен­ным фоторезистом не должен превы­шать 3–6 ч), низкую кислото- и щелочеустойчивость, трудность автома­тизации процесса получения рисунка, трудоемкость приготовления фоторезиста, низкую чувствительность.

Улучшение свойств жидких фоторе­зистов (устранение дубления, повы­шение кислотостойкости) достигается в фоторезисте на основе циннамата. Светочувствительным компонентом фо­торезиста этого типа является поливинилциннамат (ПВЦ) – продукт взаи­модействия поливинилового спирта и хлорангидрида коричной кислоты. Разрешающая способность его при­мерно 500 лин/мм, проявление осуще­ствляется в органических растворите­лях – трихлорэтане, толуоле, хлор­бензоле. Для интенсификации про­цесса проявления и удаления фоторе­зиста ПВЦ используют ультразвуко­вые колебания. Диффузия в УЗ-поле сильно ускоряется за счет акустиче­ских микропотоков, а образующиеся кавитационные пузырьки при захло­пывании отрывают участки фоторези­ста от платы. Время проявления со­кращается до 10 с, т. е. в 5–8 раз по сравнению с обычной технологией. К недостаткам фоторезиста ПВЦ от­носятся его высокая стоимость, ис­пользование токсичных органических растворителей. Поэтому резисты ПВЦ не нашли широкого применения в изготовлении ПП, а используются глав­ным образом при изготовлении ИМС.

Фоторезисты на основе диазосоединений применяют в основном как по­зитивные. Светочувствительность диазосоединений обусловлена наличием в них групп, состоящих из двух атомов азота N 2 (рис. 2.7).

Рис.2.7. Молекулярные связи в структуре диазосоединений.

Сушка слоя фото­резиста проводится в две стадии:

– при температуре 20°С в течение 15–20 мин для испарения легколетучих компо­нентов;

– в термостате с циркуляцией воздуха при температуре 80 °С в те­чение 30–40 мин.

Проявителями яв­ляются растворы тринатрийфосфата, соды, слабых щелочей. Фоторезисты ФП-383, ФН-11 на основе диазосоединений имеют разрешающую способ­ность 350–400 лин/мм, высокую хи­мическую стойкость, однако стои­мость их высока.

Сухие пленочные фоторезисты марки Riston впервые разработаны в 1968 г. фирмой Du Pont (США) и имеют тол­щину 18 мкм (красный цвет), 45 мкм (голубой) и 72 мкм (рубиновый). Су­хой пленочный фоторезист марки СПФ-2 выпускается с 1975 г. толщи­ной 20, 40 и 60 мкм и представляет собой полимер на основе полиметилметакрилата 2 (рис.2.8), расположен­ный между полиэтиленовой 3 и лавса­новой / пленками толщиной 25 мкм каждая.

Рис.2.8. Структура сухого фоторезиста.

В СНГ выпускаются следующие типы сухих пленочных фоторезистов:

– проявляемые в органических веще­ствах – СПФ-2, СПФ-АС-1, СРФ-П;

– водно-щелочные – СПФ-ВЩ2, ТФПК;

– повышенной надежности – СПФ-ПНЩ;

– защитные – СПФ-З-ВЩ.

Перед накаткой на поверхность ос­нования ПП защитная пленка из по­лиэтилена удаляется и сухой фоторе­зист наносится на плату валиковым методом (плакирование, ламинирова­ние) при нагреве до 100°С со скоро­стью до 1 м/мин с помощью специ­ального устройства, называемого ла­минатором. Сухой резист полимеризуется под действием ультрафиолетового излучения, максимум его спектраль­ной чувствительности находится в об­ласти 350 нм, поэтому для экспониро­вания используют ртутные лампы. Проявление осуществляется в маши­нах струйного типа в растворах метилхлорида, диметилформамида.

СПФ-2 – сухой пленочный фоторе­зист, аналогичный по свойствам фото­резисту Riston, допускает обработку как в кислых, так и в щелочных сре­дах и используется при всех методах изготовления ДПП. При его примене­нии необходима герметизация обору­дования для проявления. СПФ-ВЩ обладает более высокой разрешающей способностью (100–150 линий/мм), стоек в кислой среде, обрабатывается в щелочных растворах. В состав фото­резиста ТФПК (в полимеризующую композицию) входит метакриловая ки­слота, улучшающая эксплуатационные характеристики. Для него не требуется термообработка защитного рельефа перед нанесением гальванопокрытия. СПФ-АС-1 позволяет получать рису­нок ПП как по субтрактивной, так и по аддитивной технологии, поскольку он стоек и в кислых, и в щелочных средах. Для улучшения адгезии свето­чувствительного слоя к медной под­ложке в состав композиции введен бензотриазол.

Применение сухого фоторезиста зна­чительно упрощает процесс изготовле­ния ПП, увеличивает процент выхода годных изделий с 60 до 90 %. При этом:

– исключаются операции сушки, дубления и ретуширования, а также за­грязнения, нестабильность слоев;

– обес­печивается защита металлизированных отверстий от затекания фоторезиста;

– достигается высокая автоматизация и механизация процесса изготовления ПП и контроля изображения.

Установка для нанесения сухого пленочного фоторезиста – ламинатор (рис.2.9) состоит из валиков 2, по­дающих плату 6 и прижимающих фо­торезист к поверхности заготовок, ва­ликов 3 и 4 для снятия защитной по­лиэтиленовой пленки, бобины с фоторезистом 5, нагревателя 1 с терморегу­лятором.

Рис.2.9. Схема ламинатора.

Скорость движения заготов­ки платы достигает 0,1 м/с, температу­ра нагревателя (105 ±5) °С. Конструкция установки АРСМ 3.289.006 НПО «Ратон» (Беларусь) обеспечивает постоянное усилие прижатия независи­мо от зазора, устанавливаемого между валиками-нагревателями. Максималь­ная ширина заготовки ПП 560 мм. Особенностью накатывания является опасность попадания пыли под слой фоторезиста, поэтому установка долж­на работать в гермозоне. Накатанная пленка фоторезиста выдерживается не менее 30 мин перед экспонированием для завершения усадочных процессов, которые могут вызвать искажение ри­сунка и уменьшить адгезию.

Проявление рисунка осуществляет­ся в результате химического и механи­ческого воздействия метилхлороформа. За оптимальное время проявления принимается время, в 1,5 раза боль­шее, чем необходимо для полного удаления незадубленного СПФ. Каче­ство операции проявления зависит от пяти факторов: времени проявления, температуры проявления, давления проявителя в камере, загрязнения про­яви геля, степени окончательной про­мывки. По мере накопления в прояви­теле растворенного фоторезиста ско­рость проявления замедляется. После проявления плату необходимо отмыть водой до полного удаления остатков растворителя. Продолжительность опе­рации проявления СПФ-2 при темпе­ратуре проявителя 14–18°С, давлении раствора в камерах 0,15МПа и скоро­сти движения конвейера 2,2 м/мин со­ставляет 40–42 с.

Удаление и проявление фоторезиста осуществляется в машинах струйного типа (ГГМЗ.254.001, АРСМЗ.249.000) в хлористом метилене. Это сильный растворитель, поэтому операция сня­тия фоторезиста должна выполняться быстро (за 20–30 с). В установках пре­дусматривается замкнутый цикл ис­пользования растворителей, после оро­шения плат растворители поступают в дистиллятор, а затем чистые раствори­тели переключаются на повторное ис­пользование.

Экспонирование фоторезиста пред­назначено для инициирования в нем фотохимических реакций и проводит­ся в установках, имеющих источники света (сканирующие или неподвиж­ные) и работающие в ультрафиолето­вой области. Для плотного прилега­ния фотошаблонов к заготовкам плат используют рамы, где создается раз­режение. Установка экспонирования СКЦИ.442152.0001 НПО «Ратон» при рабочем поле загрузочных рам 600×600 мм обеспечивает производитель­ность 15 плат/ч. Время экспозиции ртутной лампой ДРШ-1000 1–5 мин. После экспонирования для заверше­ния темновой фотохимической реак­ции необходима выдержка при ком­натной температуре в течение 30 мин перед удалением лавсановой защит­ной пленки.

Недостатки сухого фоторезиста – не­обходимость приложения механическо­го усилия при накатке, что недопусти­мо для ситалловых подложек, пробле­ма утилизации твердых и жидких от­ходов. На каждые 1000 м 2 материала образуется до 40 кг твердых и 21 кг жидких отходов, утилизация которых является экологической проблемой.

Для получения проводящего рисун­ка на изоляционном основании как сеткографическим, так и фотохимиче­ским способом необходимо применять фотошаблоны, представляющие собой графическое изображение рисунка в масштабе 1:1 на фотопластинках или фотопленке. Фотошаблоны выполня­ют в позитивном изображении при наращивании проводящих участков на лентах и в негативном изображении, когда проводящие участки получают травлением меди с пробельных мест.

Геометрическая точность и качество рисунка ПП обеспечиваются в первую очередь точностью и качеством фото­шаблона, который должен иметь:

– контрастное черно-белое изображе­ние элементов с четкими и ровными границами при оптической плотности черных полей не менее 2,5 ед., прозрачных участков не более 0,2 ед., измеренной на денситомере типа ДФЭ-10;

– минимальные дефекты изображения (темные точки на пробельных местах, прозрачные точки на черных полях), которые не превышают 10–30 мкм;

– точность элементов выполнения рисунка ±0,025 мм.

В большей степени перечисленным требованиям удовлетворяют сверхкон­трастные фотопластинки и пленки «Микрат-Н» (СССР), фотопластинки типа ФТ-41П (СССР), РТ-100 (Япо­ния) и Agfalit (Германия).

В настоящее время применяются два основных способа получения фо­тошаблонов: фотографирование их с фотооригиналов и вычерчивание све­товым лучом на фотопленке с помо­щью координатографов с программ­ным управлением либо лазерным лу­чом. При изготовлении фотооригина­лов рисунок ПП выполняют в увели­ченном масштабе (10:1, 4:1, 2:1) на малоусадочном материале путем вы­черчивания, изготовления аппликаций или резания по эмали. Способ аппли­кации предусматривает наклеивание заранее подготовленных стандартных элементов на прозрачную основу (лав­сан, стекло и др.). Первый способ ха­рактеризуется низкой точностью и большой трудоемкостью, поэтому используется в основном для макетных образцов плат.

Резание по эмали применяют для ПП с высокой плотностью монтажа. Для этого полированное листовое стекло покрывают непрозрачным сло­ем эмали, а вырезание рисунка схемы осуществляют на координатографе с ручным управлением. Точность полу­чения рисунка 0,03–0,05 мм.

Изготовленный фотооригинал фо­тографируют с необходимым умень­шением на высококонтрастную фотопластину с помощью фоторепродук­ционных полиграфических камер типа ПП-12, ЭМ-513, Klimsch (Германия) и получают фотошаблоны, которые могут быть контрольными и рабочи­ми. Для тиражирования и изготовле­ния рабочих, одиночных, а также групповых фотошаблонов применяют метод контактной печати с негатив­ной копии контрольного фотошабло­на. Операция выполняется на мульти­пликаторе модели АРСМ 3.843.000 с точностью ±0,02 мм.

Недостатки такого метода – боль­шая трудоемкость получения фото­оригинала, требующего высококвали­фицированного труда, и трудность равномерного освещения фотоориги­налов значительной площади, что снижает качество фотошаблонов.

Возрастающая сложность и плот­ность рисунка ПП, необходимость увеличения производительности труда привели к разработке метода изготов­ления фотошаблонов сканирующим лучом непосредственно на фотоплен­ке. Для изготовления фотошаблона световым лучом разработаны коорди­натографы с программным управлени­ем. С переходом на машинное проек­тирование плат необходимость вычер­чивания чертежа отпадает, так как по­лученная с ЭВМ перфолента с коор­динатами проводников вводится в считывающее устройство координато­графа, на котором автоматически вы­полняется фотошаблон.

Координатограф (рис. 2.10) состоит из вакуумного стола 8, на котором за­крепляют фотопленку, фотоголовки и блока управления /. Стол перемеща­ется с высокой точностью в двух вза­имно перпендикулярных направлени­ях с помощью прецизионных ходовых винтов 9 и 3, которые приводятся во вращение шаговыми двигателями 2 и 10. Фотоголовка включает осветитель 4, фокусирующую систему 5, круговую диафрагму 6 и фотозатвор 7. Диа­фрагма имеет набор отверстий (25– 70), оформляющих определенный эле­мент рисунка ПП, и закрепляется на валу шагового двигателя. В соответст­вии с программой работы сигналы от блока управления подаются на шаго­вые двигатели привода стола, диа­фрагмы и на осветитель. Современные координатографы (табл. 5.4) снабжа­ются системами автоматического под­держания постоянного светового ре­жима, вывода из ЭВМ информации о фотошаблонах на пленку в масштабах 1:2; 1:1; 2:1; 4:1.

Рис. 5.10. Схема координатографа.