Как изготавливают печатные платы

Как делают печатные платы

Для тех, кто хотя бы раз делал печатные платы в домашних условиях, процесс их изготовления не является секретом. Теперь пришло время посмотреть, как выглядит процесс создания печатной платы при огромных масштабах производства. Познакомимся с этим процессом на примере одного из заводов JLCPCB – крупнейшего производителя прототипных печатных плат в Китае. Компания способна выполнять порядка 10,000 заказов в день, что эквивалентно более 400,000 квадратных метров плат в месяц. Но при этом на https://jlcpcb.com всегда остается в силе специальное предложение – $2 за 10 печатных плат размером 100×100 мм.

Ниже описан процесс изготовления двусторонних печатных плат – самых популярных среди радиолюбителей. Процесс производства печатных плат с бóльшим числом слоев отличается последовательностью и количеством этапов. Некоторые из них выполняются несколько раз, и, кроме того, в специальных прессах происходит «склеивание» дополнительных слоев меди и изолирующих прокладок.

Несмотря на высокий уровень автоматизации, производство печатных плат пока не может обходиться без людей.

1. Обзор файлов проекта

После проектирования печатной платы в нашей программе, ключевым шагом является создание файлов, обычно называемых «Gerber». Это набор форматов, описывающих наш проект в форме, понятной станкам, и значительно облегчающий работу людей, занимающихся подготовкой производства. Они позволяют также сравнить проект с установленными для него ограничениями и сразу обнаружить потенциальные проблемы. Хотя проверка в основном выполняется автоматически, чаще всего у нас есть инженер, который обратит наше внимание, когда, например, дорожки расположены слишком близко друг к другу, пояски контактных площадок слишком малы или слой шелкографии находит на контактные площадки. В случае незначительных проблем инженер может сам предложить способ их исправления, запросив одобрения заказчика. Если проблемы более серьезны, проект будет отклонен, и исправлять файлы заказчику придется самостоятельно.

Проверка печатной платы.

2. Подготовка фольгированного стеклотекстолита

Почти у каждой фабрики, изготавливающей печатные платы, есть собственный склад, на котором штабелями хранятся запасы фольгированного стеклотекстолита с различными размерами и параметрами. Например, фольгированный стеклотекстолит может различаться толщиной меди, толщиной изолятора и даже материалами, из которых сделаны его слои. Нередко листы бывают неровными и имеют зазубренные края, поэтому одним из первых шагов является их разрезание и очистка. Края шлифуются и укрепляются, после чего листы отправляются в следующую часть фабрики.

Листы фольгированного стеклотекстолита готовы к предварительной обработке.

3. Сверление

Далее заготовки поступают на специальные сверлильные станки с ЧПУ. Небольшие монтажные отверстия, отверстия для будущих стоек, а также специальные отверстия для облегчения позиционирования элементов сверлятся на более поздних этапах производства. Каждый станок имеет набор сверл различных диаметров, которые он меняет автоматически, в зависимости от требований, указанных в файлах проекта. После сверления листы очищаются от остатков материала, а медная поверхность аккуратно шлифуется, чтобы удалить заусенцы и царапины.

Сверлильный станок с ЧПУ.

Кассеты со сменными сверлами.

4. Металлизация

На этом этапе образуется тонкое медное покрытие платы, в том числе в металлизированных отверстиях. На фабрике JLCPCB это выполняется путем погружения заготовки с просверленными отверстиями в специальную химическую ванну. Благодаря металлизации отверстий можно создать переходы, соединяющие медные слои в соответствии с разработанной схемой. После извлечения листа из ванны его тщательно промывают и сушат.

Химическая ванна для предварительной металлизации отверстий.

5. Нанесение фоторезиста

На этом этапе на медные слои панели наносится специальный фоточувствительный слой. Этот слой в форме пленки наклеивается на заготовку, после чего с ней совмещаются специальные маски, представляющие собой прозрачные пластины с напечатанными дорожками нашего проекта. Созданный таким образом «сэндвич» помещается под ультрафиолетовую лампу, свет которой отверждает часть светочувствительной пленки, незащищенную маской. После этого панель тщательно очищают от неотвержденного светочувствительного слоя, а затем сушат и нагревают в печи. Упрочненный в результате этой операции слой становится механически более стойким.

Рулон со светоотверждаемой пленкой.

Ультрафиолетовая маска с рисунком дорожек.

6. Лужение

Далее панель подвергают лужению оловянным сплавом, которым покрывается незащищенная упрочненным слоем часть меди. Обычно это делается погружением заготовки в специальный ковш с расплавом SnPb. При извлечении из ковша потоки воздуха, подаваемого через специальные форсунки, сдувают избыток олова с поверхности листа. Затем пластина погружается в другую химическую ванну, предназначенную для растворения и удаления светочувствительного покрытия. Процесс повторяется несколько раз до тех пор, пока медь не будет полностью открыта.

Печатная плата на этапе металлизации вскрытых областей меди.

Печатная плата с металлизированными областями меди.

7. Удаление меди

Следующий химический процесс имеет решающее значение, поскольку он формирует дорожки и контактные площадки печатных плат. Медь, незащищенная на предыдущих этапах, удаляется с заготовки с помощью травильного средства, аналогичного B327 (персульфату натрия), которое наносится специальными насадками. После удаления меди производится удаление предыдущего оловянного покрытия – в специальной химической ванне дорожки и контактные площадки очищаются до чистой меди.

После травления на печатной плате еще остается олово.

Перемещение плат после травления.

8. Контроль качества и исправление ошибок

Листы заготовок проверяются современной системой технического зрения в присутствии сотрудника, вооруженного различными резаками и скребками. При обнаружении различий между внешним видом платы и файлом проекта сотрудник, курирующий процесс, принимает решение – является ли дефект серьезным, и плату следует забраковать (например, в случае перетравливания), или ее можно исправить вручную. Ремонт обычно производится под мощными микроскопами, поэтому результат часто бывает удовлетворительным.

Система компьютерного зрения проверяет соответствие печатной платы файлам проекта.

Мелкие ошибки исправляются вручную.

9. Паяльная маска

Нанесение паяльной маски может выполняться двумя способами. Первый похож на технологию трафаретной печати, когда на плату, защищенную специальным шаблоном (например, закрывающим контактные площадки), наносится полимерная краска. Второй способ более сложен, но более точен. Для него требуется слой паяльной маски, обладающий светоотверждаемыми свойствами. Снова используются маски на прозрачных пленках, отверждаемые УФ-лампами, и снова неотвержденная маска удаляется в химической ванне. После этого начинается процесс нагревания и охлаждения, целью которого является отверждение паяльной маски, благодаря чему она лучше защищает медь снизу и приобретает лучшую электрическую прочность.

Специальные машины переворачивают печатные платы.

Паяльные маски могут иметь разные цвета.

10. Слой шелкографии

Для этого этапа также предусмотрены два варианта. Первый рассчитан на выпуск крупных партий, когда первостепенное значение имеет скорость выполнения процесса. Специальный шаблон вырезается лазером и используется для нанесения краски примерно таким же способом, каким выполняется трафаретная печать. Если серия небольшая, и изготовление шаблона становится убыточным, выбирается второй вариант, когда специальный «принтер» напрямую печатает шелкографические надписи на заготовке платы.

Шаблон, используемый для нанесения шелкографии.

Вид печатной платы с нанесенной шелкографией.

11. Нанесение защитного покрытия

Поскольку медь очень быстро окисляется при контакте с воздухом, она защищается металлическим покрытием. В более дорогих вариантах используется техническое золото, которое имеет отличную проводимость и хорошо паяется, тогда как несколько более дешевый вариант – это обычное покрытие сплавом SnPb, с которым, скорее всего, встречался каждый из нас. Благодаря этому контактные площадки приобретают серебряный блеск.

Печатные платы, медь которых защищена от окисления.

12. Обрезка и фрезеровка

До настоящего момента все процессы выполнялись над большими панелями из фольгированного стеклотекстолита. Один такой лист может содержать множество печатных плат, и нередко из разных проектов. Такие листы обрабатываются фрезерными станками с ЧПУ, которые вырезают большие и нестандартные отверстия и разделяют листы на отдельные платы, или слегка надрезают панели, делая V-образные канавки, благодаря которым платы можно будет легко разделить позже.

Фрезерная головка станка с ЧПУ.

Групповые заготовки, разрезанные на отдельные платы.

13. Тестирование

Платы устанавливаются на специальные штативы, на которых простые роботы быстро проверяют качество электрических соединений и их соответствие проекту. В самом конце они снова поступают в отдел контроля качества, проверяются с помощью компьютерного зрения, проходят через вакуумный упаковщик и доставляются в отдел отправки.

Автоматический тестер электрических соединений.

Проверка и подсчет изготовленных печатных плат.

Стопка печатных плат, готовых к отправке.

Вы можете заказать вакуумную упаковку в термоусадочную пленку.

Процесс производства печатных плат на фабрике JLCPCB показан ниже на видео. Некоторые этапы производства являются технологическими секретами компании, но большинство основных операций представлено во всех подробностях.

Производство печатных плат

Печатная плата – это тонкая пластина, выполненная из диэлектрического материала. На ней располагаются цепи, через которые поступает ток. Причем помещены они могут быть как на лицевую часть, так и внутрь изделия.

Главная задача, которую выполняет плата – объединение всех электронных элементов устройства в одну сеть. Для этого на концах пластины есть места для припаивания всех выводов, идущих к другим компонентам.

Состав печатной платы:

• диэлектрическая основа;
• узор, выполненный из фольги (используется в качестве электропроводника);
• отверстия для крепления;
• контактные плоскости, соединяющие планарные части пластины;
• паяльная маска (применяется в качестве защитного покрытия);
• маркировка изделия.

Разновидности печатных плат

Пластины различают по сфере применения, температуре, которую они могут выдерживать, и количеству слоев.

По числу слоев выделяют:

• односторонние – фольгированный слой имеется только на одной стороне;
• двухсторонние – слой фольги есть на двух сторонах пластины;
• многослойные – содержат более двух слоев, каждый из которых имеет фольгированное покрытие.

При производстве электронной техники возможны трудности с работоспособностью диэлектрической основы. Так, если диэлектрик не слишком прочный, он не подойдет для гаджетов с гибким дисплеем. А для использования при высоких температурах не подойдет диэлектрик из обычного материала (нужно термостойкое сырье).

Растущий ассортимент электронной продукции способствует созданию более прогрессивных решений. Это привело к тому, что появилась еще одна классификация, по типу основы диэлектрика. Возникло разграничение печатных плат на гибкие и жесткие.

Кроме того, есть отдельные решения, которые учитывают особенности использования плат в разных отраслях (например, по типу частоты – высокая или низкая).

Производство печатных плат

Процесс изготовления пластин включает несколько стадий, каждая из которых содержит свой набор работ. Но на любой стадии производства используется профессиональное оборудование, а все процедуры выполняются в подготовленных для этого условиях. Также, до старта производственных мероприятий необходимо подготовить весь материал.

Есть два способа изготовления плат для печати

• субтрактивный – узор выполняется методом удаления лишних частиц фольги;
• аддитивный – медь наносится на подготовленную маску (химическим способом).

Для масштабного производства обычно используется первый метод, который является более простым и экономически выгодным.

1. Создание заготовки платы

Пластина выполняется из диэлектрика, покрытого фольгой. В качестве основы чаще всего используется стеклотекстолит. Другой вариант, менее востребованный, текстолит на бумажной или тканой основе.

Толщина выбирается с учетом назначения платы. Чем более прочное требуется изделие, тем больше будет толщина пластины. Также от толщины зависит электрическая проводимость.

Если платы производятся без ориентира на конкретную задачу, применяется среднее значение – 13-14 мм.

Заготовка подготавливается таким образом:

1. Сначала нужная форма вырезается с помощью специального оборудования;
2. Затем выполняется подготовка листов фольги из алюминия;
3. Далее на вырезанный сегмент наносится фольгированное покрытие. Толщина слоя тоже выбирается в зависимости от назначения пластины.

Есть также категория печатных плат из алюминия, которые используются в осветительной технике. Они необходимы для пропускания электрического тока через всю поверхность пластины.

Платы из алюминия бывают двух видов:

• С наружным оксидированием. Это цельная алюминиевая пластина с оксидированием, по краям которой размещается медная фольга. Возможно использование других металлов, но тогда им требуется дополнительное нанесение слоя диэлектрического материала.
• С полным оксидированием. Узор располагается в структуре пластины почти на всю глубину. Точные параметры определяются электронной техникой с учетом заданных характеристик.

В производстве обычно используется первый вариант алюминиевых плат, которые проще в изготовлении.

2. Создание рисунка для пропускания тока

Для формирования узора применяется три основных метода, которые могут сочетаться друг с другом:

• Химический. Способ состоит из двух стадий: укладки маски на основу со слоем фольги и удаления лишних сегментов методом бомбардировки химическими элементами. Для выполнения работы требуется фоторезист, источник УФ излучения и фотошаблон. Фоторезист может быть жидким или пленочным. Он необходим для обработки всей плоскости заготовки. Затем берется подготовленный шаблон и рисунок вырезается при подсвечивании узоров ультрафиолетом. Поверхности, на которых фольга не нужна, затем обрабатываются химическим составом, а слой материала аккуратно удаляется. Так на плате остается только электропроводящий рисунок.
• Механический. Для создания рисунка применяется специальное устройство, которое воздействует на поверхность пластины механическим способом. С помощью шаблона оборудование удаляет части фольги, формируя рисунок.
• Лазерный. Раньше этот метод почти не применялся по причине высоких отражающих качеств алюминия и меди. Но современные лазерные приборы могут с большой точностью настраивать длину волны, благодаря чему их можно использовать для материалов с высокими отражающими свойствами.

Самый популярный метод нанесения узора на печатные платы – механический. Лазерные технологии используются меньше из-за высокой стоимости оборудования.

Создание рисунка – это лишь предварительная стадия в подготовке заготовки пластины. Затем проводится еще четыре процедуры, после чего изделие приобретает требуемый вид.

3. Металлизация отверстий

Для формирования отверстий используется механический или лазерный инструмент. Лазер применяется там, где важна тонкая обработка и качественно выполнить процедуру механическим способом практически невозможно.

Процесс нанесения металла проводится двумя способами:

• Механически. Для этого метода применяется установка большой точности и специальный материал (токопроводящий клей или заклепки). Технология отличается высокой стоимостью, поэтому используется только для производства плат, которым важна повышенная точность.
• Химически. Более востребованный способ, при котором покрытие металлом происходит накапливанием частиц меди на пластине.

4. Прессование пластин

Данный этап применяется только для плат, которые состоят из нескольких слоев (более одного). Процедура выполняется перед металлизацией, так как затем покрытие повредится от давления.

Прессование выполняется следующим образом:

1. Сначала подготавливаются слои, которые будут находиться в середине, и наносится узор;
2. Затем пластины располагаются в печи под давлением. В роли прокладочных элементов выступают специальные препреги;
3. После этого в пластине создаются отверстия;
4. Далее выполняется металлизация;
5. Следующий шаг – травление фольгированного покрытия.

Промежуточные отверстия могут создаваться и до помещения платы в печь для пресса. Это позволяет расширить функционал пластин, но также увеличивает их стоимость.

5. Нанесение покрытия

Это важная процедура, так как без нее платы будет легко повредить механически.

Способы создания покрытия:

• При помощи лака. Защита выполняет не только основную функцию, а также обладает декоративными свойствами. Традиционный цвет печатной платы, зеленый, достигается именно таким методом.
• С использованием маркировки. Сочетает декоративность с информационной составляющей. Применяется при изготовлении больших партий плат. Для нанесения покрытия используется метод шелкографии. Также может применяться лазер или струйное устройство.
• Лужением проводников. Так наносится вспомогательный слой, который располагается на основном слое, выполненном из меди. Для нанесения используется химический метод – применяется специальная ванна с припоем. Преимущество технологии – высокий уровень защиты. Минус – толщина изделия, которая уменьшает его монтажные качества.
• С помощью инертных металлов. Для этих целей применяется олово, золото, платина или палладий.
• Лакировкой пропускающим ток составом. Улучшаются токопроводящие качества элемента.

После установки плат на производстве поверхность может оформляться дополнительным слоем, который снижает действие на изделие факторов окружающей среды.

6. Обработка механическим способом

Изготовление плат на производстве включает получение большого количества копий пластин на одном листе диэлектрика. Все озвученные выше стадии это полотно проходит без разрезания на отдельные компоненты. Отделение плат происходит в конце производственного цикла, посредством механического устройства. Естественно, сам процесс автоматизирован.

Обработка пластин механическим способом выполняется таким образом:

1. Элемент фрезеруется частично или полностью (вариант зависит от формы изделия). Если элемент прямоугольной или квадратной формы фреза выполняет надрезы, которые упростят разделение компонентов. Если элемент нестандартной формы, фреза создает сквозные линии. При этом в некоторых местах материал остается, чтобы деталь оставалась пока на месте. Затем в этом месте плата отламывается.
2. Выполняется формирование отверстий для крепления пластины. Их число и размер выбираются по шаблону, который используется на производстве.
3. Затем пластины разделяются на отдельные компоненты.

Все особенности процедуры указаны в ГОСТ 23665-79, где есть основные рекомендации и нормы по механической обработке плат.

Данная стадия является финальной в производстве печатной пластины. Но пока товар не является готовым к использованию. Затем плату необходимо дополнить микросхемами и протестировать.

7. Установка компонентов

Чаще всего установка платы в электронном устройстве производится методом пайки. При масштабном производстве применяется специальное оборудование, которое упрощает выполнение процедуры.

Различают два способа пайки:

• Волновой. Применяется для выводных частей пластин. В качестве средства используются активаторы на механической основе, формирующие единую полосу для припаивания. Установка направляет комплект пластин над волной, при этом к волне они повернуты нижней частью. Припаивание происходит мгновенно, за счет нанесенного заранее флюса.
• Пайка с помощью печи. Сначала пластина обрабатывается специальной пастой. Далее элемент направляется в печь. Под действием температуры пасты активируется и обеспечивает качественное припаивание. Для массивных элементов используется несколько капель паяльного клея.

После припаивания пластины обрабатываются растворителями для удаления частичек паяльных материалов.

Затем на плату наносится еще один раствор, который может быстро застывать (лак, гидрофобизаторы и т. д.). Если пластина будет использоваться под действием вибрации, производится ее заливка составом высокой вязкости.

8. Проведение тестов

Есть несколько вариантов для проверки работоспособности печатной платы. Самые популярные методы – с помощью электричества и оптическим устройством.

При использовании электричества оценивается наличие замыканий и целостность всей электроцепи. Оптическая оценка позволяет увидеть механические недостатки, если они имеются.

При выполнении оптической проверки камеры высокого размещения располагают:

• при создании узора на элементе и формировании контура с отверстиями;
• во время пайки, когда нужно подавать пасту для паяния частями;
• при креплении дополнительных элементов на пластину;
• на выходе с устройства для паяния – выполняется оценка корректности установки элементов.

Оптическая проверка определяет такие недочеты: коробление, смещение, излишек или недостаток паяльной пасты. Из-за этих недостатков крепление может повредиться при высоких нагрузках.

Печатные платы | Технология изготовления

1. Требования к печатным платам, материалы для их изготовления, классы точности по ГОСТ.

Печатная плата (printing circuit board, PCB) — изделие, предназначенное для размещения и электрического соединения между собой электронных компонентов и функциональных узлов. Печатная плата состоит из основания с отверстиями или без них и проводящего рисунка (тонких проводников). Дополнительно могут выполняться пазы и вырезы.

Правильный выбор материалов, технологических процессов и элементной базы при разработке современных печатных узлов во многом определяет уровень работоспособности и надежность электронного устройства. От этого же зависит и рациональность экономических затратах в производстве.

Платы делятся на односторонние, двусторонние и многослойные. Разновидностями многослойных плат являются попарно-двухслойные и платы со скрытыми отверстиями. Платы также можно разделить по другому признаку — на жесткие, гибкие и гибко-жесткие.

Все методы изготовления плат можно расположить в следующий ряд возрастания плотности печатного монтажа:

• односторонние печатные платы (ОПП);
• двусторонние печатные платы (ДПП) комбинированным позитивным методом и тентинг методом;
• многослойные печатные платы (МПП), изготовленные методом металлизации сквозных отверстий.

Основные требования к печатным платам сформулированы:

(Требования к многослойным печатным платам «PERFAG 3С».)

Выделяют следующие группы требований к печатным платам:

• Геометрические размеры элементов топологии и точности их исполнения;
• Электрические параметры;
• Механические свойства (прочность и хрупкость платы, устойчивость к скручиванию, износостойкость контактов, адгезия проводящего слоя и маски;
• Тепловые параметры (термостойкость, разогрев при эксплуатации и теплопроводность, коэффициент термического расширения (КТР));
• Коррозионная стойкость (влагостойкость, стойкость в определенных средах).

Основными элементами топологии поверхности печатной платы являются (рисунок 1):

• t — ширина проводников;
• S — зазор между элементами рисунка;
• D — диаметр контактной площадки;
• d — диаметр отверстий;
• b — гарантированный поясок.

Номинальное значение параметра для определенного класса точности по ГОСТ 23751-86

По ГОСТ 23751-86 важно, чтобы проводники во внешних слоях выдерживали 250А/мм 2 течение 3х секунд, во внутренних — 100А/мм 2 в течение 3х секунд. При токе 3А проводник шириной 1000 мкм и толщиной 35 мкм перегревается на 20 °С. при естественной конвекции.

2. Материалы для производства печатных плат.

Характеристики печатного монтажа в значительной степени определяются свойствами базовых материалов.

Для изготовления печатных плат чаще всего используют фольгированный с одной или дух сторон стеклотекстолит марки FR-4. Толщина материала основания может быть 0,5 0,8, 1,0, 1,5, 2,0 мм. Толщина фольги: 18, 35 мкм. Чем толще фольга, тем шире должны быть проводники и тем больше должен быть зазор между ними (за счет явления бокового подтрава).

Фольгированный диэлектрик должен отличаться высоким значением адгезии фольги к подложке, в т.ч. под воздействием высокой температуры. Также он должен обладать высоким объемным и поверхностным электрическим сопротивлением, высокой температурой стеклования и стабильностью геометрических размеров.

К базовым материалам относится и фоторезист — жидкий или пленочный материал, обладающий чувствительностью к ультрафиолетовому излучению. Фоторезист под воздействием света должен либо испытывать фотополимеризацию, либо фотодеструкцию (в зависимости от типа). Чаще применяется сухой пленочный фоторезист. Он состоит из трех слоев: защитной полиэтиленовой пленки, среднего слоя, чувствительного к УФ-излучению и внешней оптически прозрачной лавсановой пленки, предназначенной для защиты фоторезиста от окисления на воздухе.

3. Технологии получения проводящего рисунка печатных плат.

По способу получения проводящего рисунка классифицируют и технологии изготовления плат в целом.

Перечисленные ниже методы признаны базовыми в отечественной и зарубежной практике производства печатных плат. Во всех них используется сухой пленочный фоторезист (СПФ).

3.1 Негативный метод изготовления печатных плат.

Самый простой метод (рисунок 2), позволяющий получить проводящий рисунок, но не предполагающий изготовления металлизированных отверстий. Относится к субтрактивным (subtract — вычитать), так как формирование рисунка происходит путем вытравливания («вычитания») не входящих в рисунок участков.

Рисунок 2 — Схема негативного метода получения проводящего рисунка печатной платы.

3.2 Позитивный метод изготовления печатных плат.

Позитивный метод (рисунок 3) позволяет получать металлизированные отверстия. Для защиты их от вытравливания при общем травлении платы их защищают металлорезистом. Также относится к субтрактивным. Следует обратить внимание, что вся медь наращивается в одну операцию (химическое меднение, затем электрохимическое или, при использовании технологии прямой металлизации, сразу электрохимическое на всю толщину).

Рисунок 3 — Схема позитивного метода получения проводящего рисунка печатной платы.

3.3 Тентинг-метод изготовления печатных плат.

Тентинг-метод (tenting — устанавливать шатер) (рисунок 4) — субтрактивный метод, при котором отверстия для предохранения от стравливания закрываются «крышками» или «тентами», формируемыми из фоторезиста (а не за счет использования металлорезиста). В тентинг-методе также вся медь наращивается в одну операцию.

Рисунок 4 — Схема тентинг-метода получения проводящего рисунка печатной платы.

Главная проблема тентинг-процесса — надежно закрыть отверстия от доступа травящих растворов. Не все пленочные фоторезисты способны к этому.

При использовании тентинг-процесса необходимо обратить внимание на выполнение следующих требований:

• Для изготовления плат следует использовать фольгированные диэлектрики с толщиной медной фольги не более 18 мкм;
• Для получения рисунка схемы следует использовать пластичные сухие пленочные фоторезисты толщиной не менее 50 мкм;
• Для гальванического меднения следует использовать электролиты с высокой рассеивающей способностью (РС).

Это вызвано тем, что при стандартном комбинированном позитивном методе изготовления плат формирование проводящего рисунка производится путем травления меди, толщина которой складывается из толщины медной фольги (обычно это 35 мкм) и толщины гальванической затяжки (обычно это 5-7 мкм). В этих случаях средняя толщина стравливаемой меди составляет примерно 40 мкм. При оптимальном проведении процесса травления глубина бокового травления на всю ширину элементов проводящего рисунка при этом составляет до 40-45 мкм, что обеспечивает приемлемую точность получения проводников и зазоров.

При изготовлении плат тентинг-методом формирование проводящего рисунка производится путем травления меди, толщина которой складывается из толщины медной фольги и толщины гальванической меди, осажденной на всю необходимую толщину. Для получения в соответствии с требованиями ГОСТ 23752-79 «Платы печатные. Общие технические условия» средней толщины меди в отверстиях ДПП не менее 20 мкм, на поверхность платы осаждают слой меди толщиной примерно 25 мкм. Именно эта толщина суммируется с толщиной фольги и подвергается травлению. Чтобы обеспечить точность получения проводников и зазоров такую же, как при стандартной технологии в качестве базового материала используют диэлектрик с уменьшенной толщиной фольги (т.е. 18 мкм).

Основные преимущества тентинг-метода:

• Сокращенный техпроцесс, так как отсутствует необходимость наносить и снимать металлорезист, а следовательно — отсутствие ванны металлорезиста и снижение затрат на производство;
• Из-за отсутствия на плате покрытия из сплава олово/свинец или олово отпадает необходимость использования щелочных медно-хлоридных травильных растворов, содержащих аммонийные соединения. Наличие этих соединений в сточных водах затрудняет выделение из них тяжелых металлов, то есть ухудшает экологические показатели производства.
• Высокое качество гальванического осадка;
• Постоянная величина тока на ванну, так как из-за отсутствия рисунка площадь металлизации постоянна;
• Высокое качество поверхности под паяльную маску, так как на поверхности меди отсутствуют остатки металлорезиста.

3.4 Комбинированный полуаддитивный метод изготовления печатных плат.

Метод похож на позитивный, однако здесь процесс меднения разделен во времени (рисунок 5). Сначала выполняется тонкое меднение, затем происходит нанесение и проявление фоторезиста, затем уже идет наращивание меди на всю толщину. Это позволяет использовать заготовки с тонким слоем медной фольги. Следовательно, при получении проводящего рисунка, придется стравливать не всю толщину (фольга + гальваника), а только только тонкую фольгу. В результате не только экономятся деньги, но и продлевается ресурс травильных растворов, что упрощает работу со стоками.

Рисунок 5 — Схема комбинированного позитивного метода получения проводящего рисунка печатной платы.

Этот метод является наиболее распространенным и наиболее универсальным для всех типов печатных плат. В случае смешанного производства, т.е. при изготовлении двусторонних и многослойных печатных плат в едином технологическом потоке, всегда применяется комбинированный метод (он является составной частью общего технологического цикла обработки спрессованных пакетов МПП).

Преимущества комбинированно позитивного метода:

• Пригоден для формирования более прецизионного рисунка (более мелких зазоров), что позволяет решать сложные конструктивные задачи современных печатных плат;
• Небольшой расход анодов, так как площадь металлизации значительно меньше, чем, например, в тентинг-методе.

В сущности, различие комбинированного позитивного и тентинг-метода заключается в том, что в первом все сосредоточен на операциях металлизации, а во втором — на операции травления.

3.5 Технология изготовления печатных плат методом ПАФОС.

Метод попарного прессования плат (рисунок 6), является полностью аддитивным, т.е в нем не применяется фольгированный диэлектрик, а весь проводящий рисунок наращивается гальванически.

Рисунок 6 — Схема метода ПАФОС получения проводящего рисунка печатной платы.

В ПАФОСе проводники наращиваются на заготовку из нержавеющей стали (1), которая располагается на медной шине-токоподводе. Первоначально на эту заготовку наносится фоторезист и фотошаблон (2), затем производится экспонирование и удаление части фоторезиста (3). В пробельных местах осаждается тонкое никелевое покрытие (4), затем на него осаждается необходимое количество меди (5). Остатки фоторезиста удаляются (6). На этапах 7-10 производится запрессовка проводников в диэлектрик и удаление оснастки. В результате проводники оказываются расположенными вровень с диэлектриком. Операция травления меди здесь отсутствует полностью.

К новым методам изготовления печатных плат также относятся аддитивный метод фотоформирования «Фотоформ», метод попарного прессования, послойного наращивания и метод металлизации сквозных отверстий.

4. Пример процесса изготовления печатных плат тентинг-методом.

Изготовление фотошаблонов и подготовка информации.

На этом этапе производится изготовление фотошаблонов, которые затем используются для формирования топологического рисунка внутренних и внешних слоев печатной платы при экспонировании.

Механическая обработка заготовок.

К механической обработке печатных плат относится резка (рубка) заготовок, пробивка базовых отверстий, сверление отверстий и зачистка (рисунок 7).

Особое внимание уделяется качеству заточки сверел. Так, если режущая поверхность сверла затупится, то будет происходить пробивание отверстия, вместо высверливания, что чревато сильной деформацией медной фольги вокруг места выхода сверла. Кроме этого, тупое сверло будет испытывать гораздо большую силу трения о стенки отверстия, в результате чего связующее в диэлектрике (например, смола), будет сильно разогреваться и плавиться. Это приведет к тому, что стенки отверстия станут очень гладкими (похожими на стекло), что крайне негативно скажется на процессе их металлизации (где требуется достаточная шероховатость поверхности для хорошей адгезии покрытия).

После сверления отверстий производится зачистка заготовки шлифованием с целью удаления заусенцев. В тентинг-методе эта операция особенно важна, чтобы при нанесении фоторезиста не повредить его об острые кромки вокруг отверстий. Прорезы «тентов» приведут к стравливанию слоя металлизации в отверстиях и забраковке всей платы.

Рисунок 7 — Пример станка для сверления отверстий в печатных платах и пример заготовки платы с просверленными отверстиями и зачисткой.

Химическая подготовка поверхности заготовок.

В операции хим. подготовки поверхности процесс начинается с подтравливания заготовок печатных плат. Наиболее популярно использование раствора персульфата аммония 10-20 г/л с серной кислотой (плотность 1,83 г/см³) 3-5 мл/л при температуре 18-25 ºС. Используется либо конвейерная модульная линия (рисунок 8), либо линия подвесочного типа, оснащенная механизмом покачивания заготовок с размахом 30-60 мм и частотой 20-30 двойных ходов в минуту. Недостатком раствора является его малый ресурс работоспособности — 2-3 дня.

После подтравливания заготовки плат промываются в модулях промывки холодной проточной водой (температура 18-25ºС) и сушатся сначала в модуле сушки линии химической подготовки при температуре 90-110 ºС, а затем в сушильной конвекционной печи при 70-90º С в течение 20 мин.

Визуально проверяется 100% заготовок. Поверхность меди после обработки должна быть однородной светло-розового цвета. На ней не должно быть повреждений медной фольги, вмятин, царапин, следов масла и жира. Допускаются отдельные риски, царапины, не нарушающие целостность фольги.

Рисунок 8 — Пример конвейерной установки для химической подготовки поверхности печатных плат со встроенными модулями промывки.

Химико-гальванические процессы в тентинг-методе.

Химико-гальванические процессы (рисунок 9) составляют значительную часть от всего объема процессов производства печатных плат, и от качества их выполнения в значительной степени зависит качество готового продукта.

В традиционной технологии изготовления печатных плат токоведущий слой меди в отверстиях создается с использованием процесса химического меднения. Известно, что для осуществления химического меднения используются растворы, содержащие соли меди, комплексообразователи и формальдегид. Уже из приведенного перечня материалов видно, что процесс относится к экологически опасным. Этот отрицательный показатель усугубляется еще и тем, что растворы химического меднения нестабильны и склонны к саморазложению, что приводит к их периодическим залповым сбросам на очистные сооружения. Учитывая это, рядом зарубежных фирм были разработаны и освоены в производстве так называемые процессы «прямой металлизации» без применения химического меднения. Важным преимуществом прямой металлизации является способность прокрывать отверстия малого диаметра.

Подробнее о классической металлизации диэлектриков написано в статье. Ниже будет описан пример технологии прямой металлизации.

• Обезжиривание-кондиционирование. При прямой металлизации необходимо для образования на поверхности диэлектрика в отверстиях заготовок органического слоя, который в сочетании с кондуктором создает собственно проводящий слой.

Очень важно соблюдение соответствующего рН, которое следует измерять несколько раз в день (pH=11,0-12,0). Корректировка выполняется 32% раствором гидроксида натрия. При слишком низком или высоком рН ухудшаются результаты предварительного меднения.

• Подтравливание. Осуществляется специальным травильным средством, который очищает медную поверхность и внутренние слои. На меди не должны оставаться ингибиторы или другие пассивирующие средства типа кондиционирующих средств, в противном случае на следующем этапе с кондуктором образуется так называемый «peeling» (проблемы с адгезией медь-медь). По этой причине нельзя применять протравливатели на основе серной кислоты с добавками смачивающих средств. Электролит работает при температуре 25-30°С. После операции выполняется промывка проточной холодной водой при 15-25 ºС в течение 4 мин.

• Преддекапирование. Выполняется в растворе ортофосфорной кислоты 1,5 мл/л при pH=1,8-2,3 в течение 2 мин. Раствор служит 2 недели. Задача раствора заключается в том, чтобы еще раз прочистить медную поверхность и защитить следующий раствор активации от вредных включений — сюда же относится и медь. Поэтому рекомендуется работать по возможности с холодный раствором и как можно чаще делать новый раствор. Рабочая температура — 18-25 ºС. После преддекапирования промывка не выполняется.

Рисунок 9 — Пример линии по выполнению подготовительных операций перед прямой металлизацией.

• Активация заготовок в растворе кондуктора. Кондуктор (рисунок 10) — это слабый солянокислый не содержащий олова коллоидный палладиевый раствор, стабилизированный органическим веществом. В сочетании с проведенным перед этим кондиционированием, здесь образуется проводящий слой. рН = 1,6-2,1, рабочая температура 40-55 °С, постоянное перемешивание и фильтрация через 5 мкм фильтр. Нагрев можно отключать в перерывах в работе, когда работает циркуляционный насос. Насос не должен втягивать воздух и не должен перекачивать жидкости более 2-4 объема в час. Обязательно необходимо непрерывно замерять окислительно-восстановительный потенциал, который должен быть от -220 до -290 мВ (оптимально -240 мВ). Окислительно-восстановительный потенциал никогда не должен долго быть в положительном диапазоне.

При периодической фильтрации раствора со сливом его в запасную емкость необходима тщательная промывка ванны кондуктора соляной кислоты 30-40 г/л с добавлением 5-6 капель на литр Н₂О₂. Эта смесь хорошо растворяет палладий, осевший на стенки и дно ванны, и убирает прочие загрязнения.

Рисунок 10 — Пример ванны с активатором (кондуктором) и печатная плата, прошедшая через стадию активации.

• Постдекапирование. Выполняется при t=20-30 °C в течение 2 минут в специальном растворе. Раствор удаляет излишнюю органическую составляющую коллоида с поверхности ранее сформированного проводящего слоя. При этом открываются палладиевые частицы и проводимость повышается. Содержание постдекапира в растворе должно быть в интервале от 150 до 250 мл/л (предпочтительно — 200 мл/л ).

• Декапирование. Выполняется серной кислотой хч с концентрацией 100-150 г/л и только в дистиллированной воде, при t=18-25 °C в течение 0,5-1,0 мин. В ходе декапирования удаляются оксиды меди, при этом активационный слой не повреждается.

• Гальваническое меднение. Основная операция металлизации отверстий (рисунок 11), т.к. именно она создает в них проводящий слой нужной толщины.

Рисунок 11- Пример ванны гальванического меднения печатных плат с загрузкой.

• Фотолитография. Осуществляется для переноса рисунка с фотошаблона на заготовку платы. Первоначально выполняется накатка сухого пленочного фоторезиста валиком, нагретым до 100-120 °С на установках-ламинаторах (рисунок 12,13), при этом слой полиэтиленовой пленки наматывается на отдельную бобину (рисунок). Далее производится обрезка по контуру, выдержка и контроль нанесения.

Рисунок 12 — Принципиальная схема установки-ламинатора: 1 — прижимной валик, 2 — полиэтиленовая пленка, 3 — бобина, 4 — рулон фоторезиста, 5 — фоторезист, 6 — нож для резки фоторезиста, 7 — заготовка платы.

Рисунок 13 — Пример установки-ламинатора для нанесения сухого пленочного фоторезиста на поверхность заготовки печатной платы.

Затем платы монтируются на предварительно протертую рампу, размещается фотошаблон, реперные перекрестия которого совмещаются под микроскопом с базовыми отверстиями и осуществляется экспонирование в специальной установке (рисунок 14).

Рисунок 14 — Фотохимический способ нанесения защитного рельефа перед травлением печатных плат: а — экспонирование рисунка через фотошаблон; б — проявление изображения рисунка схемы. 1 — печатная плата, 2 — сухой пленочный фоторезист, 3 — ультрафиолетовое излучение, 4 — фотошаблон.

Экспонирование выполняется ртутно-кварцевыми лампами с диапазоном спектра 300-400 нм через лавсановую пленку на фоторезисте. Важным фактором является плотное прилегание фотошаблона к заготовке с фоторезистом.

После выдержки 20-30 минут в темном месте удаляется защитная пленка и производится проявление рисунка печатной платы в специальном растворе (задубливание). При необходимости выполняется ретуширование.

Процесс экспонирования характеризуется разрешающей способностью, т.е. максимальным числом параллельных линий, воспроизводимых раздельно на 1 мм поверхности. Чем толще фоторезист, тем ниже разрешающая способность.

Травление печатных плат.

Выполняется для получения проводящего рисунка на платах путем растворение меди с пробельных мест. Участки, защищенные фоторезистом не травятся.

Травление выполняется обычно в установках конвейерного типа (рисунок 15,16), а при мелкосерийном и штучном производстве — погружением. При работе конвейера травильный раствор подается на заготовки через форсунки. Загрузка в конвейер может выполняться горизонтально и вертикально. Горизонтальная загрузка проще технологически, но при таком исполнении верхняя часть платы испытывает большее воздействие травящего раствора, чем нижняя, т.к. наверху раствора скапливается больше.

Рисунок 15 — Схема конвейерной модульной установки травления: 1 — загрузка печатных плат, 2 — камера травления, 3 — печатные платы, 4 — отмывка, 5 — сушка, 6 — разгрузка, 7 — конвейер.

Рисунок 16 — Пример конвейерной установки травления с двумя модулями и горизонтальной загрузкой плат.

Травление выполняется в специальных растворах с окислителем. При выборе раствора руководствуются следующими критериями:

• Скорость травления должна быть достаточной и постоянной во времени;
• Раствор не должен разъедать фоторезист и диэлектрик;
• Величина подтравливания проводников под краями фоторезиста («боковой подтрав») должна быть не больше регламентированных значений;
• Компоненты раствора должны быть доступными и максимально дешевыми;
• Из раствора должно быть возможно рентабельно извлекать медь;
• Раствор должен легко смываться с заготовок;
• Количество стравленного металла на единицу объема раствора (емкость раствора по меди) должна быть максимально большим;
• Раствор должен легко корректироваться и регенерироваться по замкнутому циклу;
• В процессе эксплуатации раствора воздействие на окружающую среду должно быть минимальным или отсутствовать.

Пример платы до и после травления приведен на рисунке 17.

Рисунок 17 — Печатная плата до и после травления.

Травление печатных плат с использованием хлорного железа.

Основные параметры процесса травления печатных плат в хлорном железе:

• Состав: FeCl₃ — 400 г/л;
• Рабочая температура: 35°C;
• Величина бокового подтрава: 40-66 мкм;
• Емкость по меди: 75-105 г/л;
• Скорость: 35 мкм/мин.

Механизм начального этапа травления плат описывается следующим уравнением:

В процессе накопления меди начинает идти побочная реакция:

В дальнейшем травление идет не только по первой реакции, но и с участием хлорной меди:

CuCl₂ + Cu → 2CuCl (80% стравленной меди приходится на эту реакцию)

В целом раствор обладает высокой скоростью травления и большой емкостью по меди. Контур рисунка после травления четкий. Раствор не теряет своей активности при накоплении в нем меди.

Однако, после обработки в нем на платах может снижаться сопротивление изоляции. Во-первых, после промывки плат остатки травильного раствора гидролизуются по реакции:

Во-вторых, входящая в состав гетинакса фенольная смола может сорбировать ионы Fe 3+ по инообменному механизму. Оба этих явления и становятся причиной снижения сопротивления изоляции.

Кроме этого, раствор активно травит олово-свинцовый металлорезист, поэтому не может быть применен в позитивном и комбинированном способе (золото, серебро, золото-никель в нем устойчивы, но более дорогие).

При эксплуатации травильной установки происходит загрязнение окружающего пространства оранжевым налетом хлорного железа

Раствор трудно поддается регенерации из-за сложного ионного состава. Утилизация его возможна по реакции цементации с помощью очищенной стальной стружки:

Fe + Cu 2+ → Fe 2+ + Cu

Маточный раствор затем нейтрализуется реагентным методом, а медный порошок отфильтровывается и пакетируется.

Возможна также утилизация отработанного травильного раствора электрохимическим методом.

Травление плат с использованием персульфата аммония.

Основные параметры процесса травления печатных плат в персульфате аммония (надсернокислого аммония):

• Состав кислого раствора: (NH₄)2S₂O₈ — 200-250 г/л, H₂SO₄ — 5-7 г/л.
• Рабочая температура: до 50 °С
• Величина бокового подтрава: 50-80 мкм
• Емкость по меди: 35 г/л
• Скорость травления: 25 мкм/мин.

Механизм травления плат в кислом персульфатном растворе заключается в следующей реакции:

Одновременно идет гидролиз персульфата:

Для утилизации отработанного раствора в него добавляют аммиак, при этом происходит переход NH₄HSO₄ в (NH₄)2SO₄:

Далее отработанный раствор охлаждается до +5 °С с образованием кристаллов CuSO₄*(NH₄)2SO₄*6H₂O. Остатки сульфата аммония также связываются в эту соль добавлением медного купороса

Кроме кислого травильного раствора существует также щелочной с составом: (NH₄)2S₂O₈ — 90-105 г/л, аммиак 25% — 240-300 мл/л, глицерин 2-5 г/л.

Щелочной раствор больше подходит для травления заготовок с тонким слоем фольги.

Механизм растворения меди щелочном персульфатном растворе описывается уравнением:

В отличие от хлорного железа персульфат аммония не травит олово-свинцовый металлорезист. Он прост в приготовлении и регенерации. Вместе с этим в нем наблюдается большая величина бокового подтрава, образуются труднорастворимые комплексы меди, очистка сточных вод затрудняется. Раствор капризен с точки зрения теплового режима.

Травление плат с использованием хлорной меди.

Основные параметры процесса травления печатных плат в кислом растворе хлорной меди:

• Состав кислого раствора: CuCl₂ — 100-150 г/л, HCl — 145-150 г/л
• рН = 0 — (-1).
• Рабочая температура: 45-50 °С
• Величина бокового подтрава: 40-60 мкм
• Емкость по меди: 10-20 г/л
• Скорость травления: 35 мкм/мин.
• ОВР-потенциал (Pt): 200-600 мВ.

Механизм травления плат в хлорной меди заключается в следующей реакции:

CuCl далее реагирует с хлорид-ионами по реакции:

Критерием работоспособности раствора является значение окислительно-восстановительного потенциала, измеренного на платиновом электроде. Оно не должно опускаться ниже 200 мВ.

Раствор регенерируется окислением CuCl до CuCl₂ газообразным хлором, перекисью водорода или, частично, кислородом воздуха:

Еще одним способом регенерации отработанного травильного раствора является связывание меди в нерастворимый купрокс (CuO). Так, при добавлении в раствор гидроксида натрия, нагреве и перемешивании воздухом возможны реакции:

2CuCl + 1/2O₂ + 2NaOH = 2CuO + 2NaCl + H₂O

Извлечение меди в металлической форме возможно путем цементации или электролиза. При цементации применяется алюминиевая стружка:

3Cu + + Al → 3Cu + Al 3+

3Cu 2+ + 2Al → 3Cu + 2Al 3+

Основные параметры процесса травления печатных плат в шелочном растворе хлорной меди:

• Состав 1: CuCl₂ — 45-110 г/л, NH₄Cl — 100-150 г/л, NH₄OH — 400-500, (NH₄)2CO₃ — 20-30 г/л.
• Состав 2: CuCl₂ — 70 г/л, NH₄Cl — 75-100 г/л, NH₄OH — 35-80, H₃PO₄ — 10-20 г/л.
• Состав 3: CuCl₂ — 40-55 г/л, NH₄Cl — 100 г/л, NH₄OH — 20, (NH₄)2CO₃ — 20-30 г/л.
• рН = 8,0-8,8
• Рабочая температура: 40-50 °С

Механизм травления плат в хлорной меди в щелочном растворе состоит из следующих реакций:

Регенерация раствора осуществляется кислородом воздуха:

Утилизация раствора производится высаживанием купрокса:

При травлении в ней величина бокового подтрава небольшая, а скорость достаточно высока. Раствор легко готовится, отмывается и не шламит. Для него существует большое количество эффективных способов регенерации и утилизации. Существенными недостатками процесса является невысокая емкость по меди и риск засорения форсунок конвейерных травильных установок нерастворимой солью CuCl при недостатке в растворе HCl (либо его заменителей — NH₄Cl, NaCl). С точки зрения очистки сточных вод щелочной раствор значительно уступает кислому, т.к. в нем находится большое количество прочных аммиачных комплексов, мешающих процессу очистки.

Можно заменить хлориды на сульфаты и использовать раствор состава: CuSO₄ — 170-190 г/л, (NH₄)2SO₄ — 150-170, аммиак водный (25%) — 400-500 г/л.

Механизм реакции в этом случае будет:

Травление в сульфатном растворе идет медленно и способ эффективен только для фольги толщиной 5-7 мкм.

Травление плат с использованием соляной /серной кислоты и перекиси водорода.

Механизм процесса в солянокислом травильном растворе:

По мере накопления меди раствор превращается медно-хлоридный, описанный ранее.

Главное достоинство раствора — простота, одна из самых низких стоимостей за литр, высокая скорость травления, исключительно хорошая регенерируемость. Последнее свойство обусловлено тем, что в растворе при травлении не копятся посторонние катионы и анионы — только медь. Окислитель (перекись водорода) разлагается до воды. Корректировка идет добавлением HCl и H₂O₂. Накопленную медь можно извлекать в мембранном электролизере (без мембраны будет выделяться газообразный хлор на аноде!). Из недодстатков можно выделить жесткие требования к соблюдению режимов обработки (от них сильно зависит время травления, которое в норме не должно превышать 5-10 минут). Также раствор является очень агрессивным и летучим (особенно при нагреве), поэтому необходима хорошая герметичность установки при эксплуатации, а при приготовлении раствора — мощная вытяжная вентиляция и средства индивидуальной защиты.

При замене соляной кислоты на серную механизм процесса не изменяется:

В раствор вводят стабилизаторы и ингибиторы коррозии металллорезиста.

Важным достоинством сульфатного раствора является его полная регенерируемость электролизом без выделения газообразного хлора.

Травление плат с использованием хлорита натрия.

Состав раствора: NaClO₂ — 40-100 г/л, NH₄Cl — 70-90, аммиак водный (25%) — 190-200 мл/л

Cu(NH₃)4Cl₂ + Cu → 2Cu(NH₃)2Cl (от 20 до 80% стравливаемой меди)

Раствор обладает высокой скоростью травления, большой емкостью, величина бокового подтрава в нем незначительна. При этом в нем нельзя травить заготовки с щелочеустойчивыми фоторезистами и трафаретными красками. Кроме этого раствор неустойчив и склонен к саморазложению. Хлорит натрия взрывооопасен! Раствор не подлежит регенерации.

В целом, время травления плат в любом составе травителя определяется силой раствора, скоростью конвейера и толщиной стравливаемой меди. На этапе травления ярко проявляются последствия низкой рассеивающей способности раствора гальванического меднения, если это имело место быть. Так, если на краях платы меди осядет значительно больше, чем в центре, то при травлении медь в центре уже уйдет с пробельных мест, а на краях еще останется (рисунок 18). Поэтому плату придется травить повторно, в результате чего боковой подтрав может превысить норму и плата забракуется.

Рисунок 18 — Платы с недотравленной медью по краям.

Завершающие операции при изготовлении печатных плат тентинг-методом.

• Раздубливание. После травления остатки фоторезиста смывают в специальном растворе в конвейерной установке (рисунок 19). После раздубливания медные проводники осветляются раствором соляной кислоты, промываются, сушатся и сдаются на электроконтроль.

Рисунок 19 — Пример установки конвейерного типа для раздубливания печатных плат.

• Нанесение жидкой паяльной маски. Последовательно выполняются операции по механической подготовке, химической подготовке и сушке. Затем производится настройка станка и нанесение жидкой паяльной маски. Далее идет экспонирование, проявление рисунка, контроль и ретушь. В конце выполняется термическое дубление, а для отдельных типов масок — УФ-дубление.

• Нанесение карбоновой пасты. Выполняется подготовка поверхности, непосредственно нанесение пасты и отвердение с последующим контролем.

• Нанесение покрытий под пайку. Медь в чистом не окисленном состоянии представляет собой отличную поверхность для пайки. В зависимости от условий хранения медная поверхность быстро окисляется и поэтому нуждается в защите. И чтобы гарантировать паяемость и стойкость печатной платы после хранения, необходимо всегда предусматривать защиту поверхности. Покрытия под пайку должны хорошо смачиваться припоем, долго сохранять паяемость, не отслаиваться в течении длительного времени эксплуатации.

Большое разнообразие финишных покрытий говорит об отсутствии выбора в пользу какого-либо одного, удовлетворяющего всем требованиям по стоимости, смачиваемости и долговечности.

• Покрытие контактных выводов. Контакты, кроме проведения электрического тока, испытывают также механическое воздействие на износ. Поэтому для их защиты и стабилизации переходного электрического сопротивления применяются особые покрытия. Чаще всего для этих целей используют химическое или электрохимическое никелирование.

Печатная плата электроники – инструкция изготовления

Практика конструирования и монтажа, напрямую связанная с электроникой, никак не обходится без главной детали – печатная плата. Начальная разработка какого-нибудь электронного устройства, конечно, допустима с помощью навесного монтажа. Однако полноценную печатную плату всё равно придётся делать, если речь идёт о серьёзном электронном устройстве.

Практика печати на фольгированном текстолите

Существуют два варианта: заказать изготовление печатной платы в сервисе или сделать печатную плату своими руками непосредственно дома. Первый вариант требует солидных финансовых вложений и двух-трёх недель ожидания. Второй не требует ничего, кроме личного желания, куска фольгированного текстолита и небольшого количества хлорного железа.

Листовой текстолит, ламинированный по одной или обеим сторонам тонким слоем меди, традиционно используется для изготовления печатных электронных плат. Обычно жёсткая основа с разводкой электронных схем под пайку электронных деталей – это приоритеты специализированной производственной сферы. Однако конструирование электроники для личных нужд и в малых экземплярах выглядит более рационально, когда технология производства «печаток» доступна в условиях быта.

Вот такой результат работы вполне возможно получить в домашних условиях, используя простые доступные средства, инструменты, материалы

Если же освоить все тонкости производства и запастись необходимым материалом, не исключается изготовление печатных плат дома, если не в промышленных масштабах, так в количествах достаточных для бизнеса. Существует несколько технологий прорисовки и травления миниатюрных дорожек на фольгированном текстолите.

Начиная от метода простого рисунка электронной схемы лаком для ногтей с последующим химическим травлением, и заканчивая автоматической лазерной разводкой и микронной резкой. Однако для домашних условий требуется методика особая – эффективная, но одновременно бюджетная и относительно несложная.

Изготовление печатных плат в домашних условиях

Здесь – в рамках своего рода учебного пособия, рассматривается процесс изготовления печатных плат с использованием технологии переноса тонера лазерным принтером. Этот метод разработан давно, но до сих пор сопровождается массой новых советов и приемов, благодаря которым эффективность только повышается. Что потребуется домашнему электронщику?

• программа разработки дизайна,
• лазерный принтер,
• любой глянцевый журнал,
• утюг бытовой,
• одна-две пластиковых тары,
• небольшая кисточка или зубная щетка,
• резиновые перчатки,
• хлорное железо,
• фольгированный текстолит.

Практически все компоненты списка можно найти в бытовом хозяйстве. Исключение составляют: хлорное железо и текстолит с фольгой.

Два материала: хлорид железа и фольгированный текстолит, которые потребуется купить. Всё остальное обычно имеется в наличии среди предметов и материалов домашнего хозяйства

Эти два пункта списка закрываются через посещение радиоэлектронного магазина или радио-рынка. Такие торговые точки имеются в любом среднем по величине населённом пункте. В крайнем случае, можно заказать оба компонента через интернет.

Между тем, хлорное железо вполне заменимо другим химическим веществом, полученным на основе смеси медного купороса (МК) и обычной поваренной соли (ПС). Смесь делается в соотношении 1 часть МК на 2 части ПС, разведённых в 0,5 л кипятка.

Обычно на изготовление средней по размерам электронной печатной платы достаточно взять 4 столовых ложки МК и 2 столовых ложки ПС. Залитую кипятком порошковую смесь тщательно размешать и дать отстояться.

Единственное отличие такого раствора от FeCl₃ – несколько увеличенное время травления. Но с другой стороны – смесь на медном купоросе безопаснее FeCl₃. Медный купорос (порошковый) доступен в любом хозяйственном магазине.

Создание дизайна печатной платы

Для создания дизайна рисунка ПП оптимальной видится компьютерная программа «KiCad» – профессиональное средство рисования электронных печатных плат, но при этом бесплатное. Программное обеспечение «KiCad» обеспечивает пользователя функцией маршрутизации кисти, благодаря чему легко разводить дифференциальные пары, интерактивно настраивать длину трассировки.

Рабочее окно программы KiCad — профессионального средства разводки, без которого никак не обойтись в процессе изготовления печатной платы. ПО распространяется бесплатно

С помощью редактора схем создаётся дизайн без ограничений. Имеется обширная библиотека схемной символики. Также встроенный редактор схем позволяет без особых трудностей освоить работу с проектами.

Всё, что нарисовано программой красным цветом принадлежит фронтальной поверхности. Линии жёлтого цвета, является рисунком обратной стороны печатной платы. Созданный рисунок необходимо экспортировать в pdf формат. Для этого у «KiCad» есть инструмент «Plot». Применяя «Plot», следует выбрать зеркальное отображение.

Печать рисунка разводки на принтере

После получения файла печатной платы в формате «pdf», нужно распечатать проект на лазерном принтере. Для выполнения этой операции подойдёт страница любого глянцевого журнала.

Страница вставляется в лоток ручной подачи лазерного принтера. Наряду с журнальной, допустимо применить обычную глянцевую бумагу. Не стоит беспокоиться относительно уже существующих изображений на журнальной странице. Они не помешают.

Отпечаток тонера на глянцевой странице журнала. Как видно из рисунка, качество печати достаточно высокое. Такой же след должен получиться на фольге печатной платы

Фактор присутствия сторонних изображений не оказывает никакого влияния на процесс. Рисунок тонером принтера в любом случае остаётся на глянцевой поверхности страницы журнала (бумаги). А это именно тот результат, который требуется получить.

Желательно дважды (на двух разных страницах) провести печать, чтобы удостовериться, что напечатанный рисунок не имеет пятен, мазков, иных дефектов. Если печать выходит с пятнами, рекомендуется использовать страницу другого журнала и повторить попытку. Необходимо получить максимально качественный результат печати.

Перенос разводки с принтера на фольгу

Если след разводки печатной платы качественно выдан лазерным принтером, глянцевую страницу журнала с полученным оттиском следует аккуратно извлечь из принтера и поместить рисунком вниз на медную поверхность текстолита.

Предварительно медное покрытие рекомендуется зачистить шкуркой-нулевкой и обезжирить техническим спиртом. Затем включают в сеть бытовой утюг на максимум нагрева, прогревают инструмент глажки белья до отключения автоматикой.

Термическая обработка печатной платы с помощью обычного хозяйственного утюга. Температура нагрева — максимум. Иначе страдает качество переноса

Нагретой подошвой утюга прижимают журнальный лист с напечатанной разводкой схемы к поверхности фольгированного текстолита. Выдерживают утюг на листе без движений в течение примерно 30 секунд.

Далее необходимо плавными круговыми движениями разгладить утюгом поверхность листа в течение 2-3 минут. За этот промежуток времени термальной обработкой, тонер намертво прилипает к медному покрытию текстолита.

Результат переноса оттиска тонера от журнальной страницы на медное покрытие текстолита. Выглядит не хуже варианта промышленного изготовления

Завершением процесса переноса отпечатка на медную фольгу текстолита является удаление приклеенного листа журнала. Здесь требуется терпение и аккуратность.

Облегчает операцию очистки текстолита от приклеенной бумаги ванночка с холодной водой, куда нужно поместить на время обрабатываемый объект. Вода размягчает бумагу, чем обеспечивается полный съём остатков бумажных волокон. Тонер при этом остаётся на текстолите.

Печатная плата — технология травления

Итак, рисунок схемы соединений нанесён на текстолит. Можно приступать к следующей части процесса – травлению излишек меди.

Травление меди в растворе хлорного железа. Химическое содержимое хлорида железа опасно. Поэтому следует применять защитные аксессуары

Для этого потребуется раствор хлорного железа, залитый в пластиковую ванну подходящих размеров.

Внимание! Раствор хлорида железа является опасной химией.

Обязательно следует проводить работы травления внутри хорошо проветриваемого помещения. Защитные аксессуары – резиновые перчатки и очки также обязательны. Печатную плату рекомендуется оснастить ниткой, протянутой сквозь отверстие, высверленное в свободном углу заготовки.

Этот аксессуар позволит вынимать периодически заготовку из раствора для контроля. Или же можно использовать пластиковый пинцет. Среднее время травления хлорным железом составляет примерно 20-25 минут. Правда, конкретное значение времени во многом зависит от размеров заготовки и объёма меди, который требуется вытравить. Как только свободная от печати медь будет вытравлена, печатную плату нужно извлечь из раствора и поместить в посуду с проточной водой.

Тщательная промывка готового продукта необходима обязательно. Если на поверхности останутся излишки хлорида железа, существует риск повреждения разводки

Оставшийся раствор хлорида железа следует перелить из ванночки в герметичную пластиковую ёмкость и плотно закрыть крышкой. Этот раствор допустимо использовать многократно.

Вытравленную печатную плату следует тщательно промыть водой, применяя мыльные средства. Далее останется только очистить медные дорожки печатной платы, сохранившиеся целыми под слоем тонера.

Здесь применима та же мелкозернистая шкурка или металлическая сетка. После очистки, печатная плата обрезается по требуемому размеру, грани выравниваются мелким рашпилем. Вот и всё – электронная печатная плата готова.

Таким способом доступно готовить непосредственно в домашних условиях разные по сложности электронные печатные платы, в том числе двухсторонние. Нужно отметить вполне приличное качество производства печатных плат методом «журнальной» печати на лазерном принтере.