Аддитивная и субтрактивная технология изготовления коммутационных плат

Все большее распространение при создании электронной ап­паратуры получают методы проектирования и формирования кон­фигурации элементов коммутационных плат на основе аддитив­ной технологии, включая использование маскирования проводя­щих дорожек из меди (SMOBC - Solder Mask Over Bare Cop­per), которое в большинстве случаев обеспечивает более высокую надежность формирования элементов плат, чем традиционные методы (рисунок 2.47). Плата, изготовленная приемами аддитивной технологии, представляет собой преимущественно планарную конструкцию с нанесенным в местах отсутствия маски (в окнах маскирующего слоя) припоем, осаждаемым вровень с фоторе­зистом [14].

а

б

в

Рисунок 2.47 - Сравнение субтрактивной и более надежной аддитивной технологий изготовления коммутационных плат: а - формирование маски припойного по­крытия; б - рельеф поверхностей плат, получаемых разными способами; в - дозированное нанесение припоя на платы перед пайкой компонентов в корпу­сах PLCC, SOIC и SOT;

1 – газовая полость после нанесения припоя; 2 – отсутствие припоя; 3 – основание платы; 4 – медь; 5 – маскирующее покрытие; 6 -припойное покрытие; 7 – перемычка припоя; 8 – конфигурация контактной площадки с припоем после его оплавления ; 9 – часто используемая маска, предотвращающая затекание припоя за границы припойной площадки; 10 – припой

Применявшиеся до недавнего времени традиционные коммутационные платы для ТПМК были субтрактивными, при этом медные проводники выступали над поверхностью платы, и для защиты от внешних воздействий (в том числе технологиче­ских) необходимо было наносить на них через маску конформное покрытие. При этом часто наблюдались неполное маскирование или недостаточная адгезия покрытия с материалами платы. В субтрактивной технологии более вероятны пузырение защит­ного покрытия или отслаивание фольги. Еще одним недостатком такой технологии является повышенная возможность скопления припоя и флюсов (включая продукты разложения) в результате попадания их в пустоты (ловушки), образующиеся при некачест­венном маскировании. Как известно, аддитивный метод был разработан с целью ме­таллизации сквозных отверстий для монтажа компонентов в тра­диционной технологии, однако он обладает также весьма специфическими достоинствами применительно к ТПМК. Во многом качество поверхностного монтажа зависит от плоскостности под­ложки. Используя аддитивную технологию, можно получить по­верхность подложки, мало отклоняющуюся от плоской, и осуще­ствлять более управляемое и точное нанесение адгезива и, сле­довательно, прецизионную установку компонентов. Формирова­ние конфигурации элементов проводящего и диэлектрических слоев также осуществляется более точно и соответственно созда­ется возможность формирования более узких дорожек и зазоров между ними, как правило, до величины 0,005 дюйма (0,127мм), в то время как традиционная технология, о чем уже говорилось, обеспечивает лишь размеры 0,007 - 0,008 дюйма (0,1778 - 0,2032 мм) с некоторыми ограничениями в отношении коммута­ционных дорожек, проходящих между контактными площадками. Затекание припоя и формирование перемычек между контактны­ми площадками в аддитивном методе также устраняется. Защи­та дорожек и площадок боковыми стенками маскирующего по­крытия во время процесса аддитивного нанесения, как утвержда­ют специалисты фирмы Kollmorgen Corp., являющиеся лидерами в этой технологии, эквивалентна созданию идеально совмещен­ной маски. Запатентованная технология «Micro-Socket», разра­ботанная фирмой Kollmorgen, предусматривает нанесение допол­нительного покрытия, формирующего более надежные с точки зрения предупреждения возникновения перемычек стенки кон­тактных площадок и снижающего смещение компонента во вре­мя пайки. Данная технология в равной степени совместима с пай­кой в потоке припоя (подвод тепла с боковых сторон) и с расплавлением дозированного припоя при использовании припойных паст (подвод тепла сверху).

Условия, в которых изготавливаются и обычно используются микросборки с поверхностным монтажом, существенно отлича­ются от тех, которые характерны для традиционных изделий. В частности, в технологии поверхностного монтажа очистка из­делий после пайки является более сложной и ответственной опе­рацией из-за наличия загрязнений, скапливающихся в зазорах между корпусами компонентов и поверхностью платы, особенно если учитывать вероятность ускорения коррозионных процессов, стимулируемых химическими реакциями в местах локального перегрева. Поскольку в настоящее время расстояние между про­водниками в ТПМК составляет 0,005 дюйма (0,127 мм) или меньше, на поверхности КП возникают относительно высокие градиенты напряженности электрического поля (возможно, до 150 В/мм), усиливающие ионное загрязнение платы и ускоряю­щие тем самым формирование путей утечки тока. Анализ факторов, затрудняющих очистку смонтированных плат в ТПМК, все более и более раскрывает решающее значение тщательного контроля состояния поверхности КП. Существует два основных метода оценки качества поверхности:

• По уровню ионного загрязнения. Этот метод основан на оцен­ке количества растворимых в воде и спиртах примесей. Для этого плата на определенное время погружается в смесь воды и изопропилового спирта. Количество перешедших в раствор примесей оценивается путем замера его проводимости и срав­нения с проводимостью исходного чистого раствора. После чего производится пересчет и определение среднего уровня загрязненности поверхности в микрограммах на квадратный сантиметр платы.

• По величине поверхностного сопротивления платы. Этот ме­тод чаще ­ используется в качестве дополнительного. Критери­ем оценки состояния поверхности в данном случае служит со­противление участка платы между коммутационными дорож­ками или между контактными площадками. Обычно слоистая структура основания платы имеет величину поверхностного сопротивления до 10¹⁶ Ом на квадрат, хотя иногда эта вели­чина может быть значительно ниже, например, 10¹⁰ Ом на квадрат. При измерении сопротивления участка платы на те­стовые элементы подается, как правило, напряжение 100 - 500 В с учетом требуемой полярности. Такой метод представ­ляет собой разновидность разрушающего испытания, поэтому недавно фирма Protonique предложила метод испытания на­пряжением 10,2 В. В присутствии загрязнений даже в случае низких градиентов напряженности электрического поля начи­нают проявляться некоторые нежелательные процессы, напри­мер, поляризация тестовой структуры при подаче отрица-тель­ного напряжения.

Применительно к очистке традиционных плат существуют сравнительно новые стандарты (например, MIL-P-28809 в США и DEF-STAN 00-10/3 (1988 г.) в Великобритании), однако неясно, насколько оправданными являются жесткие требования этих стандартов на практике и насколько применимы они к ТПМК. Оценка ионного загрязнения продолжает оставаться удобным методом для использования в условиях массового производства, так как позволяет гораздо быстрее получать необходимые ре­зультаты, чем при измерении поверхностного сопротивления платы.

Варианты выполнения поверхностного монтажа

Существует 3 основных варианта реализации поверхностного монтажа [14]:

• Чисто поверхностный монтаж на плате (односторонний или двухсторонний);

• Смешанно-разнесенный вариант, когда традиционные компо­ненты размещают на лицевой стороне платы, а простые ком­поненты для поверхностного монтажа – на обратной;

• Смешанный монтаж, например, на лицевой стороне платы, и поверхностный на обратной (когда традиционные компоненты и сложные компоненты для поверхностного монтажа разме­щают на лицевой стороне платы, а простые поверхностно мон­тируемые компо-ненты – на обратной стороне платы);

Чисто поверхностный монтаж (одно - или двухсторонний).

В этом случае число технологических операций минимально. На диэлектрическое основание платы наносят припойную пасту ме­тодами трафаретной печати. Количество припоя, наносимое на плату, должно обеспечивать требуемые электрофизические ха­рактеристики коммутирующих элементов (для чего необходим соответствующий контроль). После осуществления позициониро­вания и фиксации компонентов следует операция пайки оплавлением дозированного припоя. В случае двухстороннего поверхностно­го монтажа на обратной стороне платы фиксируются простые компоненты с помощью адгезива. После отверждения адгезива компо-ненты подвергаются пайке двойной волной припоя либо оплавлением дозированного припоя, затем осуществляются очист­ка, контроль и испытания смонтированных плат (при необходи­мости платы переворачиваются).

Смешанно-разнесенный монтаж. Существуют две разновид­ности реализации этого варианта монтажа. Чаще всего сборку начинают с установки традиционных компонентов в отверстия платы, после чего размещают компоненты на поверхности платы (рисунок 2.48). В альтернативном случае (рисунок 2.49) сначала устанав­ливают компоненты на поверхность платы. Первый вариант при­меняется тогда, когда формовка и вырубка выводов обычных компонентов осуществляется с помощью специальных приспособ­лений заранее, иначе компоненты, смонтированные на поверх­ность платы, будут затруднять обрезку выводов, проходящих через отверстия платы. Компоненты для поверхностного монтажа целесообразно монтировать первыми при повышенной плотности их размещения, что требует минимального количества переворо­тов платы в процессе изготовления изделия.

Установка традиционных компонентов и сложных компонен­тов для поверхностного монтажа на лицевой стороне платы, а также простых компонентов на поверхность обратной стороны.

Это вероятно, самая сложная разновидность монтажа из всех существующих, блок-схема ее выполнения приводится на рисунке 2.50. Первым этапом является нанесение припойной пасты через трафарет, установка на лицевой стороне платы сложных компонен­тов для поверхностного монтажа (SOIC, PLCC) и пайки расплавлением дозированного припоя. Затем, после установки тра­диционных компонентов (с соответствующей обрезкой и фикса­цией выводов), плата переворачивается, на нее наносится адгезив и устанавливаются компоненты простых форм для по­верхностного монтажа (чип – компоненты и компоненты в корпусе SOT). Эти простые компоненты и выводы компонентов, установ­ленных в отверстия, одновременно пропаиваются двойной волной припоя. Возможно также использование в составе одной линии оборудования, обеспечивающего эффективную пайку компонен­тов (с лицевой стороны платы) расплавлением дозированного припоя и пайку (с обратной стороны платы) волной припоя.

Следует отметить, что в таком технологическом процессе воз­растает количество контрольных операций из-за сложности сбор­ки при наличии компонентов на обеих сторонах платы. Неизбеж­но возрастает также количество паяных соединений и трудности. Обеспечения их качества. Это усложняет работу автоматического оборудования для контроля соединений. Поскольку существующее оборудование позволяет за один прием контроли­ровать лишь одну сторону платы, то для обеспечения контроля обеих сторон требуется дополнительная операция перевертывания платы.

Выбор варианта монтажа при проектировании изделий

Выбор варианта реализации монтажа при проектировании изделия с применением ТПМК осуществляется не только с точки зрения технологических приемов его изготовления, но и в зави­симости от сочетания традиционных и монтируемых на поверх­ность компонентов. Специфика вариантов таких сочетаний в об­щих чертах описана ниже, а более подробно поясняется с по­мощью рисунка 2.51 и таблицы 2.20.

• Вариант I. Чисто (полностью) поверхностный монтаж: набор компонентов для ТПМК монтируется с лицевой или обеих сторон платы.

• Вариант II. Смешанный монтаж: смешанный набор компонен­тов монтируется с лицевой или обеих сторон платы.

• Вариант III. Смешанно-разнесенный монтаж: традиционные компоненты монтируются с лицевой стороны, а компоненты для ТПМК – с обратной.

Коммутационная плата без компонентов

Рисунок 2.48 - Схема реализации процесса монтажа с использованием простых ком­понентов

для монтажа на поверхность и компонентов для монтажа в отверстия платы (вариант 1)

* Непаяемые и термочувствительные компоненты

Рисунок 2.49 - Схема реализации монтажа простых компонентов на поверхность пла­ты и компонентов, устанавливаемых в отверстия платы (вариант 2)

* Непаяемые и термочувствительные компоненты

Рисунок 2.50- Схема реализации монтажа традиционных компонентов, а также

про­стых и сложных компонентов, устанавливаемых на поверхность платы.

* Непаяемые и термочувствительные компоненты

а

б

Рисунок 2.51 - Варианты монтажа с применением ТПМК:

а - вариант I. Чисто поверхностный монтаж. Все компоненты устанавливаются на поверхность платы. Компоненты могут монтироваться на одной или обеих сторонах платы. Возможна одноступенчатая (одновременная) пайка всех компонентов;

б - вариант II. Смешанный монтаж традиционных и устанавливаемых на поверхность компонентов. Возможны любые комбинации тех и других компонентов с одной или двух сторон платы, но это требует многоступенчатой пайки (расплавлением дозированного припоя, волной и, возможно, ручной);

в - вариант III. Смешанно-разнесенная технология (компоненты для поверхностного монтажа с одной стороны платы, а традиционные - с другой (с об­ратной));

1 - сложный компонент для монтажа на поверхность (PLCC с J-образными выводами); 2 - сложный компонент для монтажа на поверхность [кристаллоноситель с выводами в виде крыла чайки (L-образный)]; 3 - чип-конденсатор; 4 - чип-резистор; 5 - чип-резистор; 6 - сложный компонент для поверхностного монтажа (кристаллоноситель с выводами в виде крыла чайки); 7 - резистор с радиальными выводами; 8 - корпус типа DIP; 9 - конденсатор с аксиальными выводами; 10 - резистор с аксиальными выводами; 11 - резистор с радиальными выводами; 12 - корпус типа DIP; 13 - простой чип-резистор; 14 - простой чип-конденсатор

Рисунок 2.51 иллюстрирует специфику каждого из вариантов, однако важно иметь в виду, что сочетание достоинств и ограничений каждого варианта будет изменяться от пользователя к поль­зователю. Рекомендуемые нормы проектирования приведены в таблице 2.20.

При нанесении припойной пасты минимальное расстояние между контактными площадками должно составлять 0,020 дюй­ма (0,5080 мм). Фирма IPC рекомендует использовать отверстия, полученные сверлением, диаметром 0,015 дюйма (0,381 мм), в то время как другие фирмы предлагают нижний предел диаметра отверстия 0,013 дюйма (0,3302мм).

Таблица 2.20 - Рекомендуемые правила проектирования изделий в ТПМК

(для плат, изготовленных по аддитивной технологии)

Для определения минимального размера контактной площад­ки с межслойным переходом в коммутационной плате предложена формула:

D = d + 2Y + 2a + Δш,

где D – диаметр контактной площадки с межслойным перехо­дом; d –диаметр переходного отверстия; Y – допуск на разме­ры КП; а – допустимое расстояние от края отверстия до края его площадки; Dш – допуск на изготовление эталонного шаблона.