способ изготовления рельефных печатных плат

Формула изобретения

Способ изготовления рельефных печатных плат, основанный на формировании на поверхности подложки печатной платы канавок, заполнении пор в подложке акриловыми полимерами и заполнении канавок металлом с использованием химико-гальванической металлизации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в технологии изготовления печатных плат.

Известен способ изготовления рельефных печатных плат, включающий получение на поверхности диэлектрической подложки (стеклотекстолит и др.) канавок и последующее заполнение канавок и переходных отверстий металлом (1). Канавки на поверхности диэлектрической подложки чаще всего получают методом фрезерования. Для формирования токопроводящего рисунка используются химико-гальваническая металлизация и заполнение канавок припоем. Поверхность подложки обычно сначала металлизируется полностью. После формирования в канавках токопроводящего рисунка металлическое покрытие с пробельных мест стравливается. Для повышения адгезии временного металлического покрытия поверхность подложки подвергается механическому воздействию (зашкуривание и др.).

Недостатком способа является низкий уровень сопротивления изоляции между разобщенными цепями, особенно при испытаниях и/или эксплуатации в условиях воздействия повышенной влажности. В первую очередь это характерно для высоконасыщенных печатных плат 4 и более высокого класса точности изготовления. Низкий уровень сопротивления изоляции обусловлен несколькими причинами.

В рельефных печатных платах понижение уровня сопротивления изоляции обусловлено не только токовыми утечками по поверхности подложки (уменьшением поверхностного сопротивления изоляции), но и токовыми утечками в объеме диэлектрика между углубленными в объем диэлектрика проводниками. При небольшой толщине подложки возможны токовые утечки еще и между проводниками, расположенными на разных сторонах подложки. Поскольку при фрезеровании канавок вскрывается и частично нарушается капиллярно-пористая структура стеклотекстолита (в общем случае композиционного материала), а слои наполнителя обычно сориентированы преимущественно вдоль поверхности листа, то токовые утечки через объем диэлектрической подложки на порядок и более превышают таковые происходящие по поверхности печатных плат.

Фрезерование канавок под проводники при минимальных зазорах между ними сопровождается даже продергиванием фрагментов наполнителя (стеклоткани). Это приводит к тому, что при термоударах (при оплавлении покрытия проводников или групповой пайке ЭРЭ) перемычки между проводниками окончательно разрушаются и сопротивление изоляции между ними падает до десятых долей Ом. Поэтому практически все работающие технологии изготовления рельефных печатных плат основаны на использовании далеко не лучшего покрытия проводников легкоплавким сплавом Розе. Аналогичные разрушения происходят и при эксплуатации рельефных печатных плат в условиях вакуума (космическая техника). Сплав Розе в данном случае не помогает.

При проведении химико-гальванических операций (химическое меднение, гальваническое меднение) растворы солей проникают в микро- и макрополости стенок канавок. В условиях воздействия влаги эти соли приводят к снижению уровня сопротивления изоляции. Кроме того, при наличии в стенках каналов крупных дефектов (расслоений) химически и гальванически осажденная медь "зубьями" проникает в эти полости, уменьшая фактическое расстояние между соседними проводниками. В рельефных печатных платах с высоким уровнем насыщенности проводников это приводит к тому, что уже на стадии химической или гальванической металлизации технологический процесс заканчивается коротким замыканием между соседними проводниками.

Таким образом, по данному способу реализация сложных рельефных печатных плат 4-го и более высокого класса точности изготовления становится или невозможной, или сопровождается очень низким выходом годных печатных плат.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является способ изготовления печатных плат, реализованный в патенте (2). В этом техническом решении печатная плата на финишной стадии изготовления погружается в полимеризационноспособную композицию на основе гликолевых диэфиров акриловых кислот, выдерживается некоторое время в этой композиции, затем избыток композиции удаляется с поверхности печатной платы и печатная плата подвергается термообработке в сушильном шкафу. В результате такой дополнительной обработки печатной платы жидкая безрастворная полимеризационноспособная композиция проникает в дефекты структуры диэлектрической подложки, а при последующей термообработке эта композиция в результате полимеризации превращается в акриловый полимер с высокими диэлектрическими свойствами. Это приводит к заполнению пористости в подложке печатной платы, снижению водопоглощения и повышению уровня сопротивления изоляции между разобщенными цепями в условиях воздействия влаги.

Способ-прототип не лишен недостатков.

Диффузионная проницаемость полимерного связующего подложки печатной платы невелика. Вследствие этого полимеризационноспособная композиция проникает неглубоко, улучшая диэлектрические характеристики лишь поверхностного слоя стеклотекстолита. Токовые утечки между соседними проводниками, углубленными в объем подложки, устраняются не полностью.

Для улучшения адгезии временного металлического покрытия поверхность стеклотекстолита предварительно подвергается механической обработке (зашкуривание и др.). Это повышает эффективность проникновения композиции в объем диэлектрика, поскольку вскрываются дефекты структуры связующее - наполнитель. Однако это приводит одновременно и к снижению уровня сопротивления изоляции по другой причине - из-за проникновения в эти дефекты структуры химико-гальванических растворов на предыдущих стадиях изготовления печатной платы. В способе-прототипе не устраняется и вредное влияние токопроводящих остатков электролитов в зазоре между проводниками.

Способ не позволяет получить рельефные печатные платы высокого класса точности, поскольку из-за разрушений диэлектрических прослоек между проводниками и/или образования токопроводящих перемычек к финишной стадии печатные платы приходят уже неработоспособными. Как и в способе (1) проблематичен уход от использования сплава Розе в качестве покрытия проводников.

Еще одним недостатком способа-прототипа является сложность получения одновременно максимально полного заполнения акриловым полимером всех дефектов поверхностного слоя диэлектрической подложки и сохранения высокого качества пайки. Если поверхностные дефекты подложки заполняются максимально, то есть вероятность полимеризации остатков композиции на поверхностях металлических проводников под пайку. Если контактные площадки гарантированно очищаются от следов жидкой полимеризационной композиции, что обеспечивает качество последующей пайки, то не полностью заполняются дефекты поверхностного слоя подложки.

Целью изобретения является:

1. Повышение уровня сопротивления изоляции между разобщенньми цепями рельефных печатных плат в нормальных условиях и при испытаниях или эксплуатации в условиях воздействия повышенной влажности.

2. Повышение выхода годных печатных плат.

3. Обеспечение возможности изготовления рельефных печатных плат с повышенной плотностью печатного монтажа.

Указанная цель достигается тем, что заполнение дефектов структуры подложки проводится на стадии изготовления рельефной печатной платы, предшествующей проведению химико-гальванической металлизации и заполнению канавок металлом.

Заполнение дефектов структуры подложки проводится следующим образом. Заготовка рельефной печатной платы после формирования канавок погружается в полимеризационноспособную композицию на основе гликолевых диэфиров акриловых кислот и выдерживается в этой композиции. Для повышения эффективности заполнения дефектов структуры могут быть использованы известные способы интенсификации (вакуумирование, воздействие ультразвука и др.). Затем с поверхности заготовки удаляется избыток композиции и производится ее термообработка в термошкафу. Далее проводится формирование токопроводящего рисунка печатной платы.

Предлагаемый способ позволяет значительно повысить эффективность заполнения дефектов структуры подложки рельефной платы. При фрезеровании канавок под проводники вскрывается гетерогенная капиллярно-пористая структура композиционных материалов, что приводит к существенному (на порядок и более) увеличению скорости проникновения и глубины проникновения полимеризационноспособной композиции вглубь диэлектрической подложки. В предлагаемом способе дефекты структуры устраняются (заполняются) до проведения химико-гальванических операций. Поэтому практически исключается проникновение электролитов вглубь структуры материала подложки и, следовательно, исключается влияние токопроводящих примесей на снижение уровня сопротивления изоляции печатных плат в условиях воздействия влаги по этой причине. Такой же эффект наблюдается и в поверхностном слое подложки, поскольку дефекты структуры устраняются (заполняются) до проведения операции стравливания меди с пробельных мест, а не после ее, как это делается в способе-прототипе.

Устранение микро- и макрополостей (в пределе расслоений) в объеме диэлектрика между соседними проводниками позволяет избежать появления коротких замыканий между соседними проводниками в насыщенных печатных платах из-за иглоподобных и лезвиеподобных разрастаний проводников, входящих в эти дефектные полости.

Акриловый полимер связывает в единое целое разрушенные при фрезеровании элементы прослоек между углубленными проводниками. Поэтому по предлагаемому способу могут быть изготовлены высоконасыщенные печатные платы, стойкие к термоударам и способные эксплуатироваться в условиях вакуума.

В предлагаемом способе исключается и вероятность ухудшения качества пайки из-за возможной полимеризации композиции на поверхности печатных проводников. Поэтому есть возможность повысить эффективность заполнения дефектов структуры в подложке печатной платы, не проводя заведомо избыточное удаление следов жидкой композиции с поверхности печатной платы перед термообработкой (полимеризацией).

Способ осуществляют следующим образом.

Пример 1.

На подложке из гетинакса фрезеруют канавки и сверлят переходные и монтажные отверстия. Поверхность гетинакса зашкуривают. Заготовку погружают в композицию состава, мас.ч.:

1. Диметакриловый эфир бис-(триэтиленгликольфталата)	100
2. Гидрохинон	0,01
3. Перекись бензоила	0,5

После выдержки в течение 0,5 ч заготовку вынимают, удаляют с поверхности избыток композиции и термообрабатывают в сушильном шкафу при температуре 100°С в течение 1 ч. Затем покрывают всю заготовку слоем химически осажденной меди и наращивают на нее гальванически осажденную медь. Наносят на всю поверхность спиртоканифольную смесь. После сушки удаляют канифоль с пробельных мест на зернильной установке. Стравливают медное покрытие с незащищенных канифолью мест платы и лудят проводники окунанием в ванну с расплавленным припоем.

Пример 2.

На подложке из стеклотекстолита фрезеруют канавки. Поверхность стеклотекстолита зачищают венской известью. Заготовку погружают в композицию состава, мас.ч.:

1. Диметакриловый эфир бис-(триэтиленгликольфталата)	100
2. Диметакриловый эфир этиленгликоля	20
3. Октилметакрилат	10
4. Перекись бензоила	1,0
5. Бензохинон	0,05

Заготовку вакуумируют при остаточном давлении 0,005 МПа в течение 10 мин. Затем удаляют с поверхности избыток композиции и термообрабатывают при температуре 100°С в течение 0,5 ч. Затем покрывают всю заготовку слоем химически осажденной меди. Защитной краской покрывают пробельные места и осуществляют локальное гальваническое наращивание меди в канавках. Затем гальванически осаждают в рельеф металлорезист ПОС-60, удаляют краску, стравливают медь с пробельных участков. Производят оплавление покрытия ПОС.

Пример 3.

На подложке из стеклотекстолита фрезеруют канавки и сверлят переходные и монтажные отверстия. Заготовку погружают в композицию состава, мас.ч.:

1. Диметакриловый эфир бис-(триэтиленгликольфталата)	100
2. Гидрохинон	0,01
3. Гидроперекись кумола	1,0

После выдержки в течение 0,5 ч заготовку вынимают, удаляют с поверхности избыток композиции и термообрабатывают в сушильном шкафу при температуре 130°С в течение 1 ч. Затем придают поверхности заготовки шероховатость. Покрывают всю заготовку слоем химически осажденной меди и наращивают на нее гальванически осажденную медь. Наносят на всю поверхность спиртоканифольную смесь. После сушки на зернильной установке удаляют канифоль с пробельных мест. Стравливают медное покрытие с незащищенных канифолью мест платы и лудят проводники окунанием в ванну с расплавленным припоем.

Пример 4.

На подложке из стеклотекстолита фрезеруют канавки и сверлят переходные и монтажные отверстия. Заготовку погружают в композицию состава, мас.ч.:

1. Диметакриловый эфир бис-(триэтиленгликольфталата)	100
2. Гидроперекись кумола	1,0
3. Формамид	0,1
4. Гидрохинон	0,05

После выдержки в течение 0,5 ч заготовку вынимают, удаляют с поверхности избыток композиции и термообрабатывают в сушильном шкафу при температуре 130°С в течение 1 ч. Поверхность стеклотекстолита зашкуривают. Затем заготовку погружают в композицию состава, мас.ч.:

1. Диметакриловый эфир бис-(триэтиленгликольфталата)	100
2. Гидроперекись кумола	1,0
3. Формамид	0,1
4. Гидрохинон	0,05

После выдержки в течение 0,5 ч заготовку вынимают, удаляют с поверхности избыток композиции и термообрабатывают в сушильном шкафу при температуре 130°С в течение 1 ч. Затем покрывают всю заготовку слоем химически осажденной меди и наращивают на нее гальванически осажденную медь. Наносят на всю поверхность спиртоканифольную смесь. После сушки на зернильной установке удаляют канифоль с пробельных мест. Стравливают медное покрытие с незащищенных канифолью мест платы и лудят проводники окунанием в ванну с расплавленным припоем.

Технико-экономическая эффективность заявляемого способа заключается в повышении надежности рельефных печатных плат в результате повышения их влагостойкости, увеличении выхода годных печатных плат, а также в возможности изготовления рельефных печатных плат более высокого класса точности, чем это практически возможно по способу-прототипу.

Некоторые сравнительные результаты испытаний тест-плат, изготовленных по способу-прототипу и по предлагаемому в заявке способу, приведены в табл.1.

Таблица 1. Результаты сравнительных испытаний тест-плат.
Наименование тест-плат	Способ изготовления	Шаг трассировки, мм	Ширина проводника, мм	Зазор между проводниками, мм	Сопротивление изоляции в н.у., МОм	Сопротивление изоляции после испытаний, МОм
Тест-плата 1	прототип	0,5	0,25	0,25
Цепь 1-2					6000	300
Цепь 2-3					1000	30
Цепь 3-4					1000	10
Цепь 4-5					5×10 -7	5×10-7
Тест-плата 2	заявка	0,5	0,25	0,25
Цепь 1-2					Более 10000	1500
Цепь 2-3					Более 10000	2000
Цепь 3-4					Более 10000	2000
Цепь 4-5					Более 10000	1000
Тест-плата 3	прототип	0,32	0,16	0,16
Цепь 1-2					6×10 -7	6×10-7
Цепь 2-3					5×10-7	5×10-7
Цепь 3-4					3×10-2	1×10-3
Цепь 4-5					3 10-7	3 10-7
Тест-плата 4	заявка	0,32	0,16	0,16
Цепь 1-2					Более 10000	1000
Цепь 2-3					Более 10000	800
Цепь 3-4					Более 10000	2000
Цепь 4-5					Более 10000	700
Примечания: Тест-плата 1 и тест-плата 2 конструктивно одинаковые. Тест-плата 3 и тест-плата 4 конструктивно одинаковые. Условия испытаний: 1 ч при температуре 25°С и относительной влажности воздуха 95%.

Источники информации

1. Кокотов В.З. Конструкции, технология и автоматизированное проектирование рельефного монтажа: Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 1998. - 96 с.

2. Патент РФ №2052909. Способ влагозащиты печатных плат. В.Г.Уразаев, А.А.Сарбайцев. Приоритет от 22.12.1989 г., зарегистрирован 20.01.1996 г.