Исторически, технология изготовления печатных плат, как и все в технике, развивалась от простого к сложному, постепенно усложняясь с увеличением требований к параметрам плат. Так, один из первых аналогов печатной платы изготавливался способом выдалбливания канавок на мраморной плите с последующей заливкой их оловом.
Последующие изменения касались как материала изоляционного основания (подложки) или способов нанесения и материала проводников, так и особенностей технологического процесса изготовления печатной платы.
Подложки
В связи с использованием высокотемпературных способов формирования проводящего покрытия подложки для первых печатных плат выполнялись из керамики. Однако последующее увеличение габаритных размеров подложек заставило технологов искать материалы более устойчивые к механическим воздействиям и более легко обрабатываемые механическим путем. Таковыми оказались полимерные (пластмассовые) материалы, которые в процессе развития также претерпевали изменения.
Первоначально подложки стали делать из конструкционных пластмасс путем прессования в специальных пресс-формах. В некоторых технологических вариантах процесс изготовления подложки совмещался с процессом создания рисунка будущих проводников путем формирования канавок на поверхности подложки. В других вариантах этот процесс
совмещали с процессом металлизации поверхности подложки путем использования металлических порошков, металлической фольги или солей металла, впоследствии химически восстанавливаемых до металлического состояния. В качестве материала подложки использовали полимерные материалы с различными наполнителями – от
древесных опилок до стекловолокна.
В дальнейшем подложки стали изготовлять средствами механической обработки из листовых пластмасс, в качестве которых на первых порах широко использовались гетинакс (материал на основе бумаги, пропитанной фенолформальдегидной смолой и спрессованной в лист определенной толщины) и текстолит (материал на основе хлопчатобумажной ткани, пропитанной той же смолой и спрессованной в форме листа). Подложки из этих материалов обходились дешевле, что и обусловило их широкое применение.
В настоящее время номенклатура листовых изоляционных материалов для изготовления печатных плат значительно расширена за счет применения полиэфирных смол и композиций из фенольных, креозольных и эпоксидных смол, а также наполнителей с улучшенными механическими и изоляционными характеристиками (стеклоткань или полимерные пленочные материалы).
В процессах производства печатных плат широкое распространение нашел листовой изоляционный материал (фольгированный диэлектрик), при изготовлении которого методом прямого прессования к нему одновременно приклеивается и металлическая фольга. Производство различных разновидностей фольгированных материалов в промышленно
развитых странах организовано в массовом масштабе на специализированных предприятиях.
Пленочные проводники
Процессы получения пленочного токопроводящего покрытия, применяемые при изготовлении печатных схем и печатных плат, еще более разнообразны, чем процессы изготовления подложек.
Способ вжигания серебросодержащих паст на поверхность керамики первоначально нашел широкое применение, что обусловлено прежде всего простотой процесса, высокой прочностью сцепления покрытия с поверхностью подложки, его достаточной электропроводностью. Для изготовления печатных схем, содержащих проводники и
резисторы этот процесс в наибольшей степени отвечал требованиям массового производства. Пасты наносились через металлические сетчатые трафареты, несущие рисунок проводников и резисторов. Затем платы подвергались высокотемпературному обжигу в специальных печах. Впоследствии, при развитии техники изготовления микросхем, этот процесс назвали
“технологией толстых пленок” и стали широко использовать при изготовлении гибридных интегральных схем. В технологии печатных плат он использовался лишь первое время и был вытеснен другими способами.
Способ вакуумной металлизации, заимствованный из технологии вакуумных приборов и технологии пленочных сопротивлений, заключается в испарении металла в вакууме и конденсации его на поверхности подложки. Он позволяет получить тонкие и равномерные покрытия с заданной электропроводностью. Однако использование сложного оборудования, высокие требования к качеству и чистоте поверхности подложки, высокая температура нагрева подложки ограничили использование этого способа в технологии печатных плат. В дальнейшем этот способ, названный “вакуумное напыление” получил широкое распространение при изготовлении микросхем на активных и пассивных подложках (“технология тонких пленок”).
Способ шоопирования заключается в распылении частиц расплавленного металла воздухом или инертным газом и нанесении его на изоляционную подложку с канавками для проводников с последующим удалением излишков металла с поверхности платы шлифовкой или каким-либо другим способом. Он достаточно широко обсуждался как возможный способ получения токопроводящих покрытий при изготовлении печатных плат как на керамических, так и на пластмассовых подложках. Однако практического применения этот способ не получил, так как не обеспечивал равномерности покрытия по толщине, а следовательно, и по электропроводности.
Способы металлизации с помощью металлических порошков предлагались как на начальном этапе освоения техники печатных плат, так и предлагаются в различных вариантах до настоящего времени. Эти способы представляют различные варианты закрепления металлического порошка на поверхности изоляционного материала либо в процессе изготовления подложки из конструкционных или листовых пластмасс, либо в процессе металлизации готовых подложек путем напыления порошка на покрытую клеевым составом поверхность подложки, путем тиснения специальным пуансоном рисунка схемы на подложку с порошковым покрытием или введением порошка в полимерное связующее и нанесением его через трафарет. Наибольшее распространение этот способ нашел при изготовлении различных композиций для резисторов. В технике изготовления печатных плат он имеет ограниченное применение.
Способ химической металлизации заключается в осаждении на предварительно обработанной изоляционной поверхности металлического покрытия путем химического восстановления металла из раствора его соли. В результате на поверхности платы осаждается тонкий и достаточно равномерный слой металла. В силу специфических условий осаждения он имеет повышенное электросопротивление, но по нему может быть дополнительно проведено гальваническое осаждение металла. В технике печатных плат химические способы металлизации получили широкое распространение, их развитию и разработке уделялось и уделяется в настоящее время очень большое внимание в силу того, что способ не требует высоких температур обработки и позволяет металлизировать любые изоляционные поверхности. В качестве химически осаждаемого металла наибольшее применение получила медь, но наряду с ней патентовались и способы осаждения серебра, кобальта, никеля и некоторых других металлов.
Способ металлизации путем приклеивания к изоляционной поверхности металлической фольги получил наибольшее распространение при изготовлении печатных плат. Основные преимущества данного способа заключаются в следующем:
– возможность использования металлов, выпускаемых промышленностью в виде фольги определенного состава и стандартной толщины;
– возможность изготовления и поставок по кооперации специального фольгированного материала в виде листов, которые
можно разрезать и обработать обычными механическими способами;
– обеспечение высокой прочности сцепления фольги с диэлектриком за счет клеевого соединения;
– совмещение процесса изготовления изоляционной подложки для будущей печатной платы с процессом ее металлизации;
– отсутствие химических воздействий на материал подложки в процессе металлизации.
Развитие этого способа металлизации привело к созданию целой отрасли промышленности по производству фольгированных диэлектриков, применение которых вышло за пределы области собственно печатных плат. В настоящее время для их изготовления применяют фольгу из меди, никеля, алюминия, нихрома и других металлов. Фольгу наклеивают на полимерные пленки, слоистые материалы типа гетинакса, текстолита и стеклотекстолита и т.д.
Формирование рисунка проводников
Процессы создания рисунка из токопроводящего или защитного покрытия в форме, определенной конструкторским чертежом, или процессы печати, используемые в технологии изготовления печатных плат, заимствованы в основном из области полиграфической техники и развивались в соответствии с требованиями, предъявляемыми к геометрическим характеристикам печатных проводников. Применение того или иного процесса печати является характерным признаком способа изготовления печатных плат, в связи с чем в запатентованных способах изготовления печатных плат были поданы заявки практически на все известные процессы печати. Однако лишь некоторые из них получили применение в промышленной практике. Основные требования, предъявляемые к процессу печати, следующие:
– совместимость процесса печати с процессом металлизации; – высокая разрешающаяспособность
– минимальная трудоемкость;
– печать на площади больших размеров;
– возможность механизации и автоматизации.
Способ офсетной печати применялся на первых этапах освоения техники печатных плат. Процесс заключается в переносе краски с формы, имеющей определенный рисунок, на поверхность подложки с помощью цилиндра покрытого эластичной резиной. Применение способа было обусловлено наличием в полиграфическом машиностроении налаженного
производства плоскопечатных машин, применение которых позволяло без особого труда наладить изготовление печатных плат. Однако недостаточная толщина наносимого слоя краски и ее свойства не обеспечивают достаточных защитных свойств, а дополнительные операции по припудриванию канифолью и тальком с последующим оплавлением снижают и без того невысокую разрешающую способность процесса. Тем не менее способ используется на некоторых предприятиях до настоящего времени. С его помощью удобно проводить маркировку печатных плат.
Печать через трафарет (шелкография и сеткография) получила широкое распространение в технике печатных плат для нанесения защитных рисунков, так как позволяет применять самые разнообразные краски и составы на основе полимерных смол с высокими защитными свойствами. За долгие годы развития этого процесса создано
высокопроизводительное оборудование, позволяющее автоматизировать процесс печати. До мелочей отработаны технологические операции, созданы специальные материалы для изготовления трафаретов большой площади. Трафарет представляет собой металлическую
или шелковую сетку с мелкой ячейкой, на которой с помощью специального состава закрываются места свободные от проводников (“пробельные”). Трафарет помещается в специальную рамку, накладывается на заготовку и с помощью ракеля (плоской пластины) кислотоупорная краска продавливается сквозь незакрытые ячейки сетки на поверхность заготовки, формируя требуемый рисунок проводников, затем трафарет переносится на следующую заготовку и процесс повторяется. Таким способом удается получать проводники шириной не менее,1-0,2 мм с разрешающей способностью0-50 мкм.
Более высокой разрешающей способностью обладает способ фотохимической печати (фотолитографии), использующий специальные фоточувствительные материалы, наносимые на поверхность заготовки. Для получения рисунка светочувствительный слой экспонируется
(засвечивается) через специальный пленочный или стеклянный шаблон, изготовленный фотографическим путем и несущий рисунок проводников. Таким образом удается формировать необходимое защитное покрытие для проводников шириной менее ,1 мм с
разрешающей способностью 0-20 мкм. Несмотря на более высокую трудоемкость и необходимость использования специального оборудования и специфических технологических операций способ фотохимической печати находит наибольшее применение при производстве печатных плат.
Из других известных способов печати рисунка для изготовления печатных плат патентовались способы электрографии (ксерокопирования), декалькомании, различные способы тиснения, прессования, групповой штамповки, ручного и автоматического гравирования и фрезерования. Все эти и другие способы, обладая теми или иными достоинствами в конкретном случае их применения, не выдерживают сравнения по разрешающей способности и трудоемкости процесса с печатью через трафарет и фотохимической печатью.
Литература по теме
Многослойный печатный монтаж в приборостроении, автоматике и вычислительной технике/ Под ред. А.Т. Белевцева. -М.: Машиностроение,978. -64 с.