книги / Технология многослойных печатных плат
..pdfс /высотой микронеровностей не менее 3 мкм, а другая сторона — иметь гладкую поверхность для обеспечения точного воспроиз ведения печатной схемы и надежного контакта при эксплуата ции. Этим требованиям отвечает фольга, изготовленная электро литическим осаждением. Она имеет одну сторону матовую (ше роховатую), а другую — гладкую, удовлетворяющую предъявляе мым требованиям. Электролитическую фольгу получают из сер нокислых электролитов. Особое значение придается выбору по верхностно-активных добавок, которые наряду с составом элек тролита и режимом осаждения обеспечивают микрозернистость, направленность кристаллов, шероховатость поверхности, пори стость и другие показатели.
Процесс получения электролитической фольги схематически представляется следующим образом: при вращении барабана — катода, изготовленного из нержавеющей стали, с заданной ско ростью при определенной плотности тока он покрывается осадком меди соответствующей толщины. Получающийся медный слой в виде ленты при выходе барабана из электролита отди рается от поверхности, протягивается через промывное и су шильное устройство и наматывается на приемную гильзу. Фольга затем подвергается оксидированию. Создание поверхностного слоя окиси меди в результате процесса оксидирования позволяет по лучать фольгированные слоистые пластики с повышенной нагревостойкостью и повышенной силой сцепления фольги с основа нием. Оксидирование фольги обычно производится электрохими ческим способом. Фольга обрабатывается в растворе едкого нат ра при определенной плотности тока. Установлено, что оксидная пленка получается в результате кристаллизации окиси меди из раствора, содержащего Na2Cu02, распадающегося по реакции Na2Cu02 + H2O ^C uO + 2NaOH.
Гидролитический распад Na2Cu02 ускоряется при повышении его концентрации. При этом обеспечивается увеличение центров кристаллизации окиси меди, и на поверхности фольги образуется более тонкая оксидная пленка. Для повышения механических свойств медной электролитической фольги, например ее пластич ности, в последнее время применяется отжиг в среде сухого азота при 450 °С. Отжиг при тмпературе ниже 300°С не дает суще ственного эффекта. Применение термообработанной медной фоль ги в МПП увеличивает запас прочности с точки зрения обра зования^ трещин в металлизации в 2... 4 раза по сравнению с обычной стандартной фольгой. Разработаны новые слоистые пла стики, фольгированные тонкомерной медной электролитической фольгой толщиной 2... 5 и 5... 18 мкм.
Применение тонкомерной фольги позволяет уменьшить подтравливание проводников, что повышает точность изготовления рисунка, сокращает допуски на размеры проводников, увеличи вает плотность монтажа, уменьшает время травления и упроща ет проблему очистки сточных вод. Тонкомерная фольга весьма чувствительна к механическим воздействиям, поэтому обычно она
закрепляется на носителе. Носитель" мо«жет быть металлический (алюминивая или медная фольга) и неметаллический (пленки из полиэфира или ацетата целлюлозы). После сверлении носитель удаляется. Высокая стоимость заготовок, покрытых сверхтонкой медной фольгой, несомненно является одним из факторов, сдер живающих распространение этого материала. Другой отрицатель ный фактор — наличие дополнительной технологической опера ции — удаление защитного носителя ('протектора), а также от сутствие стандартных методов осуществления этой операции. Многие зарубежные фирмы США успешно работают с незащи щенной фольгой, избавившись при этом от операции механиче ского удаления протектора. За рубежом проводятся исследова тельские работы е еще более тонкой фольгой, и, возможно, через несколько лет появятся ПП с шириной проводников 25... 75 мм. Недавно фирма «Дженерал электрик» завершила испытания опыт ных образцов МПП, в которых шинами питания и заземления служат два слоя инвара, плакированные с обеих сторон медной
фольгой. Ин/варовая фольга |
(сталь: 36 никеля, |
0,5 марганца; |
0,5% углерода) покрывается |
с двух сторон медью |
для увеличе |
ния теплоотвода. Инвар с низким ТКР ограничивает расширение ламината при нагревании, благодаря чему возможен непосред ственный поверхностный монтаж на МПП таких компонентов, как ИС в безвыводных кристаллодержателях и корпусах с матрицей штырьковых выводов. В последнее время разработаны методы получения медной тонкой фольги вакуумным напылением.
В нашей 'Стране разработана медная фольга толщиной 5 мкм на несущей подложке с гальваностойким покрытием (ТУ 48-21- 765/0—84). В качестве несущей подложки используется алюми ниевая фольга толщиной 100 мкм. На эту подложку в вакууме напыляется примерно 2 мкм меди, затем гальванически медь наращивается до 4 ... 5 мкм и далее —■ хром, который снижает •подтравление. Пример условного обозначения фольги медной, осажденной в вакууме, гальваностойкой, толщиной 5 мкм, шири ной 280 мм — ФМНГ-5Х280, где Ф — фольга, М — медная, Н — напыленная, Г — гальваностойкая. Гарантийный срок хра нения фольги 6 месяцев.
3.2. СТЕКЛОТЕКСТОЛИТ
Для изготовления ПП специального назначения и МПП в качестве основания используется стеклотекстолит, для получения которого применяют стеклянную беещелочную ткань и эиоксифенолоформальдегидный лак. Пропитку стеклоткани лаком произ водят на вертикальных пропиточных машинах, снабженных суши лом. Скорость движения стеклянного полотна 0,8... 1,2 MI/ мин. Пропитанная и просушенная стеклоткань наматывается на бара бан. Затем эта стеклоткань, находящаяся в стадии неполного отверждения (препрег), и фольга нарезаются на листы необхо димого размера. Склеивание фольги и стеклотекстолита произ-
32
мя надежнее, чем МПП из стеклоэпоксидных слоев, так как от слаивание контактных площадок под воздействием тепла прак тически исключено.
3.4. ФОЛЬГИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Наиболее распространенными конструкционными материалами для изготовления ПП являются фольгированные диэлектрики.
Основные |
марки отечественных фольгированных материалов, при |
меняемых |
при изготовлении МПП, приведены в табл. 3.2. Харак |
теристики |
размерной стабильности тонких фольгированных ди |
электриков — в табл. 3.3.
Выпускаемые в нашей стране диэлектрики изготавливаются на основе эпоксифенольной смолы, а в США — эпоксидной смо лы. В отечественных стеклотекстолитах смолы содержится 40, а в американских — 60%. Меньшее содержание стекла облегчает сверление, травление "и металлизацию отверстий. С развитием производства МПП возрастают требования к качеству материа лов. За рубежом это выразилось, например, в многократных из менениях технических условий на материалы, непрерывно ведутся разработки новых, более совершенных материалов для* МПП, улучшаются свойства старых. Для изготовления МПП за рубе жом применяются, главным образом, эпоксидные диэлектрики: эпоксидные стеклопластики марок G-10 и FR-4. Их толщина 0,05... 0,8 мм. При изготовлении некоторых видов МПП, кроме фольгированных диэлектриков, используется стеклоткань прокла дочная (СП). Выполняя роль межслойной изоляции, она служит для склеивания' слоев МПП в монолитную конструкцию.
Для изготовления СП применяются следующие исходные ма териалы: ткань из стеклянного волокна марки Э толщиной 0,1; 0,06 и 0,025 мм; искусственная термореактивная смола марки ЭКР-30 (спиртотолуольный раствор эпоксидной смолы ЭД-6 , со вмещенный с фенолформальдегидным лаком); искусственная тер мореактивная смола марки Э-27-С; искусственная термореактив ная смола марки ЭДЛ (бутанолотолуольный раствор) с отвердителем «Джамет X»; искусственная термореактивная э!поксифенолформальдепидная смола марки ЭИФ (спиртотолуоль ный раствор эпоксидной смолы, совмещенный с фенолформальде гидным лаком марки ЭИФ).
Поверхность СП должна быть ровной, не иметь складок, кро шек, заполимеризовавшейся смолы, посторонних включений, а также участков, не пропитанных смолой. Допускаются незначи тельные наплывы смолы, заломы, не нарушающие основы стекло ткани. Для хранения СП требуются условия, обеспечивающие пониженные температуру и влажность. Повышение температуры ускоряет полимеризацию, относительная влажность больше 40% нарушает равномерность полимеризации, вызывая локальную
кристаллизацию. В табл. 3.4 приведены характеристики СП раз личных марок.
Марка Материал материала
Диэлектрик фоль- ДФС-1 гированный се ДФС-2 рии Д ДФО-1 ДФО-2
Стеклотекстолит СТПА-5-1 теплостойкий для полуаддитивной технологии изго товления
Стеклотекстолит СЦНФ-1 общего назначе ния негорючий
фольгировэнный СОНФ-2
Полиимид фоль- ПФ-1 гированный Диэлектрик фоль- ДФПП-1 гированный
Толщина фольги, мкм |
Характеристика |
|
Толщина |
|
Связую щеема териала |
ГОСТ (ТУ) |
Примечание |
|
|
||||
|
|
материала, |
|
|
|
|
|||||||
|
фольги |
|
|
мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
20 |
Гальваностой- |
0,06; 0,08 |
|
ЭД-22; |
ТУ 16-503, 202—80 ДФС—диэлектрик |
|
фоль- |
||||||
20 |
кая |
0,1; |
0,13 |
|
|
ЭД-8 |
|
гированный |
самозату- |
||||
35 |
|
0,15; |
0,2 |
|
|
|
|
хающий. |
|
|
фоль- |
||
35 |
|
0,25; |
0,3; 0,4; |
|
|
ДФО—диэлектрик |
|
||||||
|
|
0,5; |
0,8; |
1; |
|
|
|
гированный общего |
на |
||||
|
|
1,5; |
2 |
|
|
|
|
|
значения. |
должны |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диэлектрики |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
подтравливаться в серной |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и плавиковой |
кислотах |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и в смеси их. Условия |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
применения: |
Т = |
130° С, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т = 15 ч |
|
|
|
5 |
Гальваностой- |
0,1; |
0,12; |
0,13 ЭД-8 |
ТУ 16-503.200—80 |
Диэлектрик должен |
под |
||||||
|
кая на протек |
0,15; |
0,2; 0,25; |
|
|
травливаться |
в |
серной |
|||||
|
торе |
0,3; |
0,5; |
0,8 |
|
|
и плавиковой |
кислотах |
|||||
|
|
1; |
1,5; |
2 |
|
|
|
|
и в смеси их |
|
|
|
|
18 |
Гальваностой- |
0,13; |
0,15; |
0,2 ЭД-18 |
ТУ 16-503.271—86 |
— |
|
|
|
||||
|
кая |
0,6; |
0,8; |
1 |
3 |
или |
|
|
|
|
|
||
35 |
|
1,5; 2; |
2,5; |
ЭД-16р |
|
|
|
|
|
||||
|
0,35; |
0,5; |
0,8; |
ЭД-8 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
1; |
1,5; |
2; |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
35 |
Гальваностой- |
0,1 |
|
|
|
|
|
ТУ 16-503.208—81 |
— |
|
|
|
|
35 |
кая |
0,11 |
|
|
|
|
|
ТУ ОЯЩ 503-042- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
78 |
|
|
|
|
СО
Характеристика размерной стабильности тонких фольгированных диэлектриков
|
Номиналь |
Относительная |
деформация, %-10- 3, |
при |
||
Материал |
ная |
толщи |
травлении |
по |
прессовании по |
|
на |
основа |
|||||
|
ния, мм |
утку |
основе |
утку |
основе |
|
|
|
|
||||
ФТС-1-0,19 |
|
0,19 |
100 |
40 |
|
— |
ФТС-2-0,23 |
|
0,23 |
50 |
40 |
— |
|
ФТФ-2-0,25 |
|
0,25 |
20 |
40 |
— |
|
ФТФ-2-0,2 |
|
0,12 |
17,5 |
1,25 |
2,5 |
30 |
Улучшение диэлектрических свойств подложек ПП (уменьшение значений диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлек трических потерь) прямо связано с увеличением быстродействия ИС. Ужесточение требований изготовителей ПП -к характери стикам диэлектрических подложек привело к разработке прин ципиально новых типов фольгированных диэлектриков с исполь зованием нетрадиционных исходных материалов, в первую оче редь полимерных связующих с высокими термическими и элек трофизическими свойствами. Первыми представителями новых по лимеров, нашедших применение в технологии изготовления под ложек ПП, стали ненасыщенные полиамиды (бисмалеинимиды).
Они хорошо совмещаются с обычными армирующими материала ми (стеклотканями), достаточно технологичны и в отвержденном
Т а б л и ц а |
3.4. |
|
|
|
|
|
Прокладочная стеклоткань, используемая при изготовлении МПП |
||||||
|
|
|
|
|
Толщина |
Срок |
Марка |
Пропиточная |
композиция |
|
непропитан- |
||
|
ной стекло |
гарантии, |
||||
|
|
|
|
|
ткани, мм |
месяц |
СП-1-0,25 |
Эпоксифенольная |
смола |
марки |
0,025 |
4 |
|
|
ЭКР-30 |
|
|
|
|
|
СП-1-0,06 |
Эпоксифенольная |
смола |
марки |
0,06 |
6 |
|
|
Э-27-С |
|
|
|
|
6 |
СП-1-0,1 |
То же |
|
|
|
0,1 |
|
СП-2-0,025 |
— »— |
|
|
|
0,025 |
6 |
СП-2-0,06 |
— »— |
|
|
|
0,06 |
6 |
СП-2-0,1 |
— »— |
ЭДЛ |
(травящая |
0,1 |
6 |
|
СТП-3-0,025 |
Эпоксидная смола |
0,025 |
8 |
|||
СТП-3-0,06 |
ся) |
|
|
|
|
8 |
То же |
|
|
|
0,06 |
||
СТП-3-0,1 |
— »— |
|
|
|
0,06 |
8 |
СП-4-0,025 |
Эпоксиформальдегидная |
смола |
мар |
|
|
|
|
ки ЭИФ |
|
|
|
0,06 |
3 |
СП-4-0,06 |
То же |
|
|
|
||
СП-4-0,1 |
---У>— |
|
|
|
0,1 |
|
1 3
имидов, ВТ-смол) и наполнителей из кварцевых и органических
волокон.
Представляют интерес гибридные МПП, состоящие из мате риалов с двумя различными типами связующего, например эпок сидного полиимидного. Внутренние двусторонние слои изготавли ваются из фольгированного эпоксидного стеклотекстолита, а два наружных слоя — из фольгированного полиимидного диэлектри ка с рисунком только на внешней стороне. Все слои склеива ются прокладками на основе эпоксидного связующего. Такая кон струкция платы обеспечивает ее устойчивость к многократной пайке и в то же время значительно снижает стоимость.
3.5.ДЕФЕКТЫ МАТЕРИАЛОВ ОСНОВАНИЙ МПП
Врезультате исследований установлена возможность выявле ния дефектов материалов по результатам входного контроля фольгированных стеклотекстолитов [7]. В процессе изготовления
ППна материал основания воздействуют агрессивные химиче ские вещества, входящие в состав технологических растворов, и высокие температуры. Поэтому на готовых ПП часто выявляются различного рода дефекты в виде штриховых, нитевидных и мно жественных точечных повелений (мизлинг) материала основания, подрастворение верхнего слоя смолы с отчетливым проявлением
структуры стеклоткани.
В большинстве случаев такие дефекты выявляются только по сле проведения финишной операции (например, оплавления галь ванического покрытия). Было установлено, что дефекты материа ла основания ПП ухудшают стойкость ПП к термическим воз действиям и снижают сопротивление изоляции. Так, испытание МПП с точечными побелениями материала основания вокруг кон тактных площадок на устойчивость к термоциклированию в кремнийорганической жидкости в температурном диапазоне 40...
... 200 °С показало, что они выдерживают не более пяти циклов смены температур. При этом первоначальные точечные повеления увеличиваются по площади и сливаются друг с другом, образуя сплошное повеление вокруг контактных площадок. Металлогра фический анализ подтвердил результаты измерения электрическо го сопротивления в процессе термоциклирования — на слое ме таллизации после воздействия пяти циклов смены температур по явились трещины. Контрольные образцы МПП без точечных по велений вокруг контактах площадок выдержали 30 и более циклов смены температур. Многослойные печатные платы со штриховыми нитевидными побелениями и подрастворением верх него слоя смол на материале основания подвергались испытаниям на устойчивость к одновременному воздействию влажного тепла (55°С, 93% относительной влажности) и постоянного электри ческого напряжения (75 В при расстоянии между проводниками 0,32 мм). При этом контролировалось сопротивление изоляции.
40