Краткие теоретические сведения и методические указания по подготовке к работе

2.1. Конструктивно-технологические особенности изготовления МПП

Многослойная печатная плата представляет собой единый комму­тационный узел, состоящий из нескольких спрессованных (склеенных) печатных слоев, гальваническая связь между которыми соответствует принципиальной схеме. При конструировании МПП руководствуются сле­дующими соображениями. Схема коммутации должна соответствовать принципиальной схеме при минимуме значений паразитных параметров МПП. Контактные площадки следует расположить так, чтобы соединяю­щие их проводники оказались минимальной длины. Прокладка входных и выходных печатных проводников параллельно друг другу не рекомен­дуется из-за возникновения паразитной обратной связи. Шины, по ко­торым текут суммарные токи схемы, должны быть по возможности шире. Для надежного сцепления особо длинных печатных проводников с осно­ванием необходимы дополнительные контактные площадки и отверстия.

МПП применяются, как правило, для коммутации корпусированных интегральных микросхем, а также для соединения функциональных уз­лов общей соединительной платой в блоке. В зависимости от сложности схемы выбирается определенное число слоев МПП. При этом на отдель­ных слоях рекомендуется располагать цепи питания, нулевого потен­циала, сигнальные цепи и т.д. Процесс проектирования и изготовле­ния МПП весьма сложен и трудоемок. Однако, в связи с переходом на интегральные схемы, применяемость МПП резко возрастает, а стои­мость падает, в частности в результате использования машинного ме­тода проектирования.

Технологический процесс изготовления МПП мало чем в принципе отличается от процесса производства одно- и двусторонних печатных плат. Однако для обеспечения необходимой точности совмещения плат требования к размерам и допускам МПП значительно выше. Наиболее высокие точностные требования предъявляются к следующим операциям:

- изготовление фотооригиналов и негативов с применением мало­усадочных материалов;

- пробивка базовых отверстий на негативах и заготовках;

- выполнение межцентровых расстояний и получение самих отверстий.

Электрические и механические характеристики МПП зависят от качества выполнения процесса прессования, основными характеристика­ми которого являются удельное давление прессования, температура нагрева и время выдержки. В процессе прессования пакеты, содержащие собираемые платы и слои стеклоткани, пропитанные лаком, устанавли­ваются между плитами, нагретыми до 120-130°С, и производится прессование с удельным давлением 5-15 кг/см² в течении 15-20 мин. Далее температура пресса поднимается до 150-160°C, давление - до 10-60 кг/см 2, а время выдержки определяется из расчета 10 мин не каждый миллиметр толщины платы. После окончания цикла прессования платы охлаждается, давление снимается и пресс разнимается. На этом этапе возможно появление следующих дефектов:

- расслоение МПП из-за недостаточной полимеризации, обусловлен­ной малым временем прессования;

- разрыв или сдвиг печатных проводников в слое в результате чрезмерно высокого давления при прессовании или перекоса плит пресса.

Для получения отверстий в МПП наибольшее распространение получил метод сверления, так как в эпоксидных стеклопластиках пробивка отверстия методом штамповки весьма затруднительна. Одним из глав­ных недостатков сверления МПП является наволакивание смолы между контактной площадкой и металлизацией в отверстии, вызванное мест­ным перегревом материала при сверлении. Поэтому очень важно вести сверление в правильно выбранном технологическом режиме.

В настоящее время используют несколько конструктивно-технологических методов изготовления МПП [5].

Метод открытых контактных площадок (рис.1). Здесь отдельные слои МПП изготавливает фотохимическим способом не односторонних фольгированных диэлектриках. В слоях вырубают отверстия таких об­разом, чтобы после сборки слоев ко всем контактным площадкам имел­ся свободный доступ. В процессе сборки слом наклеивают друг на друга. Диаметр открытой контактной площадки должен превышать диаметр отверстия не менее чем на 400-600 мкм. Метод имеет ограничен­ную коммутационную способность, т.к. электрические межслойные сое­динения отсутствуют, а увеличение слойности ухудшает качество сбор­ки, поскольку наличие глубоких "колодцев" затрудняет отмывку флюса к часто приводит к браку. По типовому технологическому процессу максимально допустимое число слоев - 6.

Рис. 1. Плата, выполненная методом открытых контактных площадок.

Метод наружных соединений (выступавших выводов) (рис. 2) заключается в одновременном прессовании заготовок с нанесенным ри­сунком и перфорированными в них окнами, в которых проходят выводы отдельных слоев в виде полосок медной фольги, отгибаемых на наружную поверхность готового пакета. Межслойные соединения в платах отсутствуют. Кроме того при травлении меди о пробельных участков из-за подтравливания происходит снижение механической прочности вы­водов и даже их отрыв. Метод имеет среднюю коммутационную способ­ность, т.к. из-за наличия "окон" в МПП зона трассировки печатных проводников сокращена. По типовому технологическому процессу мак­симальное число слоев - 15.

Pис. 2. Плата, выполненная методом наружных соединений.

Метод послойного наращивания (рис.3) заключается в том, что на заготовку фольги напрессовывается слой тонкого диэлектрика, пер­форированного в местах межслойного соединения. В перфорированные отверстия на внутреннюю поверхность фольги осаждается гальваническая медь, заполнявшая их на толщину диэлектрика. Далее на наруж­ную поверхность диэлектрика осаждается слой меди, на котором вы­полняется рисунок схемы. По количеству слоев повторяет напрессовы­вание диэлектрика, выполнение межслойных соединений и рисунка схе­мы. На последний слой рисунка напрессовывается сплошной слой диэ­лектрика. Затем получают рисунок первого фольгированного слоя. Ме­тод послойного наращивания имеет большую коммутационную способ­ность, несмотря на ограниченную слойность (не более 5 слоев). При большом числе слоев на МПП появляется рельефность. Метод обеспечи­вает надежные межслойные соединения, однако весьма трудоемок и длителен.

Рис. 3. Плата, выполненная методом послойного наращивания.

Метод попарного прессования (рис. 4). Здесь на двух заготовках двустороннего фольгированного диэлектрика выполняется рисунок схемы внутренних слоев МПП. Для каждой заготовки в местах межслой­ных соединений сверлят и металлизируют отверстия. Затем двусторон­ние плати склеивают между собой схемами внутрь. Полученная струк­тура может рассматриваться как сложная двусторонняя печатная плата ме­таллизируют отверстия, соединяющие первый и четвертый слои. Далее можно подклеить еще одну двустороннюю печатную плату. В полученной шестислойной структуре вновь сверлят и металлизируют отверстия, соединяющие первый и шестой слои. Недостатком метода является ма­лое числе сдоев (6 слоев). Однако техпроцесс технологичен, т.к. на многих операциях он аналогичен комбинированному техпроцессу изго­товления двусторонних печатных плат.

Рис. 4. Плата, выполненная методом попарного прессования.

Метод металлизации сквозных отверстий (рис.5) заключается в том, что необходимое количество слоев, на которых тем или иным способом выполнена печатная схема, склеивает между собой о помощью, стеклоткани, пропитанной лаком, после чего в полученной МПП свер­лят насквозь и металлизируют отверстия. Ори этом те слои, которые должны быть соединены между собой, имеют контактные площадки, со­единяющиеся во торцу с металлизированными отверстиями. Для увеличе­ния надежности межслойных соединений применяют подтравливание диэ­лектрика внутри отверстия до металлизации, в результате чего часть поверхности контактной площадки обнажается. Метод имеет высокую коммутационную способность за счет большой слойности (до 12 слоев). В платах, изготовленных по этой технологии, часто нарушается це­лостность электрических цепей. Разрывы обусловлены малыми поверх­ностями контакта внутренних слоев с металлизированными отверстия­ми, низким качеством химической металлизации и существенным Раз­личием коэффициентов расширения составляющих материалов.

Вис. 5. Плата, выполненная методом металлизации сквозных отверстий.

Рис.6. Зависимость коэффициента к_п от варианта расположения печатных проводников и конструктивного параметра платы.

Как показала практика, причины возникновения дефектов при из­готовлении МПП различными способами разнообразны и обусловлены ли­бо невысоким качеством самих материалов, из которых изготавливает­ся слои платы, либо нарушениями режимов технологического процесса. К наиболее часто встречающимся дефектам МПП можно отнести следующие: внутренние короткие замыкания на слоях и между слоями, разрыв печатных проводников, плохое совмещение слоев, отсутствие соединения между контактными площадками и металлизациями отверстий, пониженное сопротивление изоляции, дефекты при сверлении отверстий, расслоение платы.

Для устранения перечисленных дефектов необходимо установить связь между технологическими факторами (температура прессования, удельное давление, время прессования, время травления фольги и т.п.) и параметрами МПП. С этой целью изготавливают специальные тест-платы, по которым определяют все режимы технологического про­цесса на основе оценки следующих электрических параметров МПП:

- омического сопротивления межслойных переходов Rпер;

- сопротивления изоляции между проводниками, расположенными ря­дом в одном слое (наружном или внутреннем) R ип;

- сопротивления межслойной изоляции Ruм;

- паразитной емкости между проводниками, расположенными рядом в одном слое Спп;

- паразитной емкости между проводниками, расположенными друг под другом в разных слоях Спм;

- омического сопротивления печатных проводников Rпр;

- диэлектрической проницаемости межслойной изоляции .

2.2. Расчет паразитных параметров МПП

Паразитные емкости печатной платы могут быть рассчитаны в зависимости от геометрических размеров и варианта взаимного располо­жения (рис. 6) печатных проводников, а также величины диэлектриче­ской проницаемости межслойной изоляции по известной формуле [5]

где С noг - погонная емкость С (емкость на единицу длины), k_n -коэффициент пропорциональности, определяемый по графику рис. 6, l - длина взаимного перекрытия проводников, - действующая диэлектрическая проницаемость среды, вычисляемая по формуле

где - диэлектрическая проницаемость воздуха, - диэлектрическая проницаемость материала плат. При покрытии печатной платы лаком паразитная емкость увеличи­вается, т.к

Е_л - диэлектрическая проницаемость лака.

Паразитная взаимоиндуктивность между печатными проводниками характеризуется коэффициентом взаимоиндукции М (нГ), который ре­комендуется определять по формулам:

- для платы без экранирующей плоскости (рис.7а)

, (4)

- для платы с экранирующей плоскостью (рис. 7б)

, (5)

где l - длина проводника, cм; S - расстояние между осями про­водников, см; Н - расстояние между проводником и экраном, см. Индуктивность печатного проводника для платы с экранирующей плоскостью (рис.7б) рекомендуется определять по формуле

где L пог - погонная индуктивность печатного проводника (индук­тивность на единицу длины), мкГ/см. Экспериментальные значения погонной индуктивности печатных проводников приведены на рис.8.

Оценка качества МПП

Проверка готовое платы начинается обычно с внешнего осмотра, при этом определяется наличие вздутий, раковин, расслоения слоев, отслоений фольги, механических повреждения и загрязнений. Толщи­ну слоя меди в отверстиях проверяют с помощью микроскопа УИМ-23. Анализ микрошлифов поперечных сечений металлизированных отверстий позволяет определить качество металлизации. О качестве паек судят по отсутствию раковин, пузырей, смещений контактных площа­док и т.п. В условиях массового производства для отбраковки МПП разработаны методы автоматизированного контроля целостности про­водников и отсутствия коротких замыканий. Целостность проводников определяется путем пропускания по цепям платы тока от источника низкого напряжения, а отсутствие коротких замыканий - подачей вы­сокого напряжения. Для контроля качества изоляции используют устройство, содержащее испытательную камеру, блок измерения, снабженный контактным щупами, ж камеру предварительной выдержки печатной платы.

Рис. 7. Варианты расположения печатных проводников на плате:

а) без экранирующей плоскости; б) в экранирующей плоскостью

Рис. 8. Зависимость погонной индуктивности от ширины печатного проводника

Для оценки величин сопротивлений МПП применяют приборы с пределами измерения от долей Ом (миллиомметры) до 10 ¹⁴ Ом (терраомметры).