Печатные платы. Анатомия производства

Sagittarius

Старовер
Решил сделать обзор, чтобы было понимание что такое производство печатных плат и с чем его едят…

1591524919845.png

Ну поехали:
производство плат так или иначе начинается в Китае. Как это ни парадоксально, стеклотекстолит в промышленных объемах научились делать именно там… в РФ в свое время пытались, начиная с приснопамятного Молдав-Изолита и заканчивая попытками реанимировать производство в Кыштыме и даже в МСК, да-да, и здесь есть институт, который выпускает стеклоткань СТП-3, ну, и как следствие, его производные - стеклотекстолиты,.

Ведь это что такое? берем стеклоткань в нужном объеме, приляпываем сверху и снизу медную фольгу, прессуем в горячем прессе при температуре 140-200 градусов Цельсия, в зависимости от связующего (полимерной смолы) и получаем тот самый стеклотекстолит типа СТФ или СТАП и т.д., но зато по отечественным ТУ, из за чего военпреды в полном восторге, а вот технологи, конструктора и прочие заинтересованные лица, мягко говоря, обтекают, ибо нельзя из вы сами знаете чего сделать конфетку.
Выглядит непрезентабельно, но для односторонних или двусторонних плат топорной сборки и с навесным монтажом сойдет… дубово и дёшево.

1591525093342.png

Ну идем далее.
Итак, Китай, там с этим все гораздо лучше, вот только Китай тоже разный есть и поставщики материалов пытаются втюхать на российский сегмент простую «гражданку», хотя, как известно, у нас всё преимущественно идет на «оборонку» (у китайцев есть свой "милитари", там качество в разы лучше, но продают такой стеклотекстолит неохотно… самим, походу, надо).

Хранится стеклотекстолит на складе. Основные производители это VINTEC, ISOLA, KING BOARD, HITACHI.

Стеклоткань для многослойных печатных плат (МПП) хранят в холодильнике, поскольку смола там не полностью полимеризована и при высокой температуре превращается в труху, да и при пониженной температуре хранится всего 6 месяцев, что вызывает определенный бугурт у службы снабжения: ведь это надо так все рассчитать, чтобы нужное количество стеклоткани было полностью сработано, а заказы имеют свойство «плавать», плановый отдел конечно старается загрузку равномерно распределять.. Ну, а чё делать, если сверху прилетает.. мол 45-е изделие остановить, 35-е гнать в три смены, а потом наоборот)))).
Короче вот такой мини склад:

1591525501810.png

Стандартный размер заготовки 457х305мм, и не спрашивайте почему, это западный стандарт, еще бывает 610х457мм, а еще бывают наши типоразмеры.. там как бог на душу положит, но у буржуев все строго.

Потом заготовки эти проходят процесс сверления отверстий как под дальнейшую металлизацию, так и технологических отверстий, о последних я расскажу подробнее.

Итак, едем сверлить… Отверстия, особенно переходные, связывающие один слой печатной платы с другим бывают разного диаметра, например монтажные могут быть и 2 мм, а вот переходные под БГА, там может быть и 75 мкм, и тут на помощь приходят высоко оборотистые сверлильные станки с нормальными такими асихронниками - 350 тыр оборотов? - да запросто.
Самый оборотистый сейчас под полтора миллиона выдает, но это уже изыски швейцарского машиностроения, поскольку такие диаметры и точности уже давно переключили на лазерное сверление, но у нас в РФ я пока таких не видел…

1591525621496.png

Ну а так, старый добрый швейцарец… Кстати на фотке видно фундамент под второй станок. Фундамент там хитрый, независимый, и виброустойчивый, поскольку ускорение станины и шпинделя просто пипец 12-15 м/с по оси X/Y и до 40 м/с по оси Z, при этом необходимо выдерживать точность позиционирования 2-5 мкм.

Бывают конечно курьезные моменты, когда народ думает: ну, а фиг ли 6 тонн на второй этаж не зафигачить (и это с такими-то дикими ускорениями по трем осям от 1,2 до 4g), у нас же там ОФ-101, ОФ-111/116 стояли, а потом, когда фундамент начинает разрушаться, чешут репу… мол не подумали))))

Этап следующий, а именно получение рисунка топологии ПП, тут на помощь приходит фоторезист, который при длине УФ волны 350-420 нм малеха теряет устойчивость, в результате чего может растворяться в обычном 2% растворе соды… такие дела.
Вот как это происходит:

1591525692799.png
Ламинируем фоторезист при температуре 90-120 градусов, оптимально 110-115

После ламинирования необходимо совместить фотошаблон с заготовкой. Для тех, кто вдруг не знает, фотошаблон это по сути «фотография» топологии схемы, перенесенная из CAD/CAM системы (по сути это может быть любая программа типа Sprint Layout, P-Cad, Altium итд, которые на выходе генерят файл топологи, программы для ЧПУ сверловка/фрезеровка, список цепей, а также список элементов для системы автоматизированного монтажа).

Поскольку все вышеуказанные элементы генерятся из одного первоисточника, то логично предположить, что отверстие, просверленное на ЧПУ точно совпадет с реперным знаком на фотошаблоне, на этом и строится базовый принцип совмещения. При помощи технического зрения установка совмещения точно подгоняет реперный знак относительно специального отверстия. Вот одна из таких установок:

1591525736897.png

Установка автоматом загоняет два репера относительно отверстий, стараясь загнать темные кружки точно в центр в светлых, при этом постоянно измеряется дельта рассовмещения одного с другим… Короче, долго объяснять, обычно это дело пары секунд. Фотошаблон отцентровался и вуаля, можно фиксировать его на заготовке.

1591525759768.png

Но это самый примитивный вариант, поскольку репера всего два, и хоть они проходят по центральной оси заготовки, обычно по длинной ее стороне, но никто не отменял усадку самого фотошаблона, а она таки есть.
Пленка — это пленка и имеет нехорошее свойство усыхать или растягиваться от температуры и влажности, поэтому не факт, что, идеально совместив центральную часть, на краях мы получим аналогичный результат, а учитывая требования ГОСТ 53429, требования к гарантийному пояску (это металлизированная площадка вокруг отверстия) составляет для 5-го класса всего 25 мкм, а для 7-го класса вообще 15 мкм.

Дальнейшем развитием, стала система, которая совмещает сразу по четырем реперам, расположенных по углам заготовки, плюс она не только автоматически совмещает, но еще и экспонирует (засвечивает УФ), то есть полностью исключается человеческий фактор, загрузил в аппарат заготовку и комплект фотошаблонов, назад получил готовый результат.
Тут агрегат побольше.

1591525838161.png

Но и результат совмещения по 4-м точкам позволяет равномерно распределить погрешность по всему полю заготовки.

1591525913947.png

Операции эти проводятся для всех слоев печатной платы, как внешних Top и Bottom где потом будет проводится монтаж элементов, так и внутренних Int1,2,3,4 итд. Одновременно совмещаются два слоя, то есть, TOP-BOT или INT1-INT2, причем они совмещаются как относительно заготовки, так и относительно друг друга, в итоге имеем три независимых плоскости, которые надо совместить с точностью, как указывалось, 25 мкм и менее.

Еще есть системы прямого экспонирования LDI, которые проецируют изображение топологии напрямую, минуя фотошаблон, стоят они дорого, работают не очень шустро, но зато точны, поскольку исключают фактор нелинейности пленки фотошаблона.
Выглядят примерно так.

1591525983369.png

Проекционные головки ездят туда-сюда, засвечивая постепенно всю заготовку. Ну и надо отдать должное: точность конечно в разы лучше, да и разрешающая способность выше. Это как у фотографов: начинаешь с цифровой мыльницы, затем появляется Mark или в том же духе, а уж затем какая нить Лейка. Кстати на территории РФ системы тоже есть, например, в Рязани или Пензе и еще кое-где.
 

Sagittarius

Старовер
1591526059527.png

Поехали дальше.
Получив рисунок затем идет процесс проявления, то есть засвеченные участки фоторезиста под действием 2% раствора соды растворяются, открывая медь, остальное остается под фоторезистом. Процесс неинтересный, но на выходе получаем следующий результат:

1591526097686.png

Вот так после проявления выглядят внутренние слои, это так называемый (негатив) ненужные участки открыты, нужные защищены фоторезистом. После операции кислого травления в растворе соляной кислоты и последующего удаления фоторезиста мы получаем, ну в данном случае это похоже слой питания. Обычно слои питания и сигнальные слои чередуются, чтобы плата была более сбалансирована и ее не корежило при горячем прессовании, но об этом позже.

Внешние слои выглядят (позитив) отличаются тем, что все нужные участки открыты, а все ненужное спрятано под фоторезистом.

1591526132495.png

Кстати обратили внимание, сколько на плате всякой дополнительной хрени помимо собственно плат и сделано это не спроста
Рассмотрим поближе:
1 - Каналы для выхода жидкой эпоксидной смолы при горячем прессовании пакета МПП
2 - Центральные реперы (будущие базовые отверстия), для сборки пакета МПП
3 - Дополнительные реперы для компенсации усадки слоев после прессования
4 - Тест-купоны, которые вырезаются на финальном этапе, для оценки качества металлизации отверстий
5 - Проводники разной ширины, чтобы оценить величину подтрава проводящего рисунка
6 - Дополнительные реперы (дополнительные базовые отверстия) которые используются при учете компенсации усадки
7 - Так называемый ключ. Тупо для исполнителей придуман, чтобы не перепутали слои и укладывали всё в нужном порядке. Механизм простой, но действенный.

1591526182570.png

Теперь немного теории для понимания процесса сборки и прессования МПП.
Изначально внутренние два слоя, например ITN1, INT2 выглядят так, как двумя рисунками выше.. Как видим, там только медь, не отверстий ничего нет, но пока это и не требуется, а требуется правильно совместить каждый слой, чтобы он точно совпал один над другим и тоже с точностью 15-25 мкм, для этого и придуманы базовые реперы а так же установка которая их находит и высверливает. Получаются две ровных дырочки точно по центру оси заготовки.

1591526224192.png

Потом идет сборка пакета, последовательно укладываются слои стеклоткани, которая в дальнейшем свяжет пакет МПП воедино и собственно сами слои. Порядок простой, внешний слой-стеклоткань-слой-стеклоткань-слой…….стеклоткань-внешний слой.

Вот слой на штифте.

1591526251111.png

Стеклоткань.

1591526272217.png

Снова слой.

1591526295819.png

Уложили внешний слой.

1591526319281.png

И поехали склепывать. Все склепывается механически. На картинке небольшой механизм.
Тот, что левее, сверлит отверстие и вставляет туда пустотелую заклепку, а тот, что правее - это молоточек, который эту заклепку развальцовывает, скрепляя весь пакет МПП.

1591526366662.png

Ну и общий вид агрегата.
 

Sagittarius

Старовер
1591526469358.png

Тут еще много нюансов, связанных с тем, как правильно рассчитать количество стеклоткани и толщину слоев, чтобы на выходе после прессования, получить скажем плату в 8 слоев толщиной 1,5 мм. При этом не надо забывать, что после вытекания лишней смолы через каналы, которые были ранее показаны, толщина изначального пакета уменьшится.
Тут я рекомендую использовать специальные калькуляторы.

Один из них ниже - кратко поясню. Для того, чтобы получить 8-ми слойную МПП, нам понадобиться 2 листа медной фольги 18 мкм, 3 двусторонних слоя толщиной 0,25 мм и с толщиной фольги 35 мкм и 8 слоев стеклоткани марки 1080 (самый ходовой кстати).
Все просто и понятно)))

1591526506418.png

Короче суть да дело, но идем далее, после склепывания пакета он отправляется в горячий пресс.
Сами пресса есть разных конструкций, электрические, электрическо-масляные, индукционные, но суть у них одна и та же, плавненько все нагреть, подать давление и следовать заданному циклу нагрева и охлаждения. Это пипец важный этап, поскольку, чуть нарушив потребные интервалы набора температуры, подачи основного давления и затем охлаждения можно из конфетки получить какашку. Вот так выглядит сам пресс.

1591526558976.png

И параметры, которые нужно забить. Их там овер дофига!

1591526581312.png

Ну, а потом жмакаем "старт" и наблюдаем за графиком прессования.

1591526619569.png

На выходе получаем спрессованный пакет МПП, который имеет усадку. Такая вот хрень и зависит она от многого, во-первых, от гов1нности материала, а во-вторых - от правильности рук оператора прессования, который делал программу, но факт: материал чаще всего стягивается внутрь микрон эдак на 150-200 по длиной оси (457 мм), наш отечественный, на основе СТП-3, наоборот, расползается микрон на 500.. это целых 0,5 мм. Так что вряд ли на нашем материале можно будет заделать сотовый телефон или хоть что-то более-менее технологичное. А мы еще говорим об имортозамещении, но это отдельная история а мы идем дальше.

Плата проходит очередной процесс вскрытия базовых отверстий (номер два на схеме), поскольку хоть эти отверстия и вскрывались ранее для совмещения слоев, но после прессования отверстие заполняется эпоксидной смолой, а сам репер, никуда не девается, что позволяет компенсировать усадку и даже если изначально было 200 мкм, то путем ее располовинивания от середины заготовки на краях мы получаем лишь по 100 мкм, что тоже много, но приемлемо, так же сверлятся базовые отверстия и МПП идет на сверловку отверстий под металлизацию, это считай, описано в самом начале моего поста и вот после сверления мы подходим к химическим процессам.

Если брать основные этапы, то их всего два, а именно на первом этапе в отверстиях осаждается тонкий электропроводный слой, который потом позволяет при помощи гальванических процессов осадить туда необходимый слой меди, создав тем самым связь между отдельными слоями МПП.

Все это происходит на автоматизированной линии, хотя даже сейчас остались еще производства, где бедные бабушки отмеряя песочными часами время, тягают подвески с платами из ванны в ванну, но о плохом мы не будем. Итак, общий вид линии.

1591526744353.png

Ванн много, процесс длинный, примерно 45-50 минут и за это время с внутренних стенок отверстий убирается эпоксидная смола, которая налипает в процессе сверления, таким образом открывается доступ к внутренним слоям, далее через пару ванн за счет специальных компонентов на стенках отверстий создается положительный потенциал, что в итоге способствует образованию на поверхности стенок отверстий тонкой пленки из трехкомпонентной системы, где главное - это палладий. Палладий - штука классная, поскольку за счет своей вакантной F-орбитали она электроны всасывает, как пылесос, посему можно переходить к гальванике. Там как раз под действием электрического тока с медного анода заряженные ионы меди лихо устремляются к катоду, где разряжаясь, а происходит это в том числе и на внутренней поверхности отверстий за счет палладия они становятся нейтральными, то есть собственно гальванической медью. Все просто.
Вот так схематично выглядит процесс.

1591526808911.png

А вот так этап извлечения заготовок из ванны с сернокислой медью.

1591527074862.png

Потом еще идет второй гальванический процесс осаждения металлорезиста, который предохраняет проводники на этапе травления лишней меди с внешних слоев, потом еще снятие этого метеллорезиста, нанесение паяльной маски (этой самой зеленой/синей/красной итд), нанесение маркировки, и контроль/контроль/контроль, на каждом этапе, после каждой операции.
Вот я упомянул в начале поста про тест-купоны (номер 4 на схеме), дак вот они предназначены для того, чтобы убедиться, что металлизация прошла без косяков и выглядит это примерно так на срезе.

1591527098497.png

На самом деле это только малая часть всего объема работ, чтобы из куска пластика сделать полноценное устройство. И заковык на каждом из этапов хоть жопой жуй и то не расхлебаешь, я здесь попытался лишь основные вехи производства озвучить.

И еще момент, данный пост создавался в качестве ознакомительного именно для ЯПа, посему надеюсь копипасты не будет.

P.S. Еще есть интересный материал именно для молодых разрабов ПП, так сказать основные технологические проблемы, которые разрабы не учитывают, проектируя свои первые поделки, если будет интересно пишите, может соберусь и этот материал опубликую а засим у меня все.

 
Сверху Снизу