Методы производства печатных плат

 Цикл статей: Разработка стека сложных многослойных печатных плат. Особенности формирования стека с учетом контроля импеданса проводников. Часть 1.

Полный текст статьи в PDF

Вопрос.  До недавнего времени мы обходились достаточно простыми 4-х и 6-ти слойными платами. Виду сравнительной несложности плат, структура платы не проектировалась. В настоящщий момент вследствие применения более сложных комплектующих, а также необходимости использования ПЛИС в корпусах BGA с большим количеством выводов, встала задача проектирования плат с количеством слоев 12 и более. Какие современные технологии используются для изготовления таких плат? Какие проблемы могут возникнуть при проектировании плат такой сложности? Что необходимо учесть для обеспечения высокой надежности плат, для предотвращения их деформации при пайке? Как оптимальнее расположить слои в случае необходимости обеспечения волнового сопротивления проводников?

Ответ.  Правильный выбор материалов, технологических процессов и элементной базы при разработке современных печатных плат во многом определяет уровень работоспособности и надежности электронного устройства в целом. При этом необходимо учитывать следующие аспекты:

• Назначение электронной системы: технические условия на изделие, ожидаемый рабочий ресурс, элементная база с характеристиками по быстродействию, выходному сопротивлению, уровню рабочих сигналов, напряжению питания и т.п.
• Эксплуатационные требования: возможность профилактики и ремонта.
• Условия окружающей среды в процессе хранения и эксплуатации.
• Технология изготовления: совместимость с действующим производством, степень и характер механизации и автоматизации при заданном объеме производства.
• Базовые и вспомогательные материалы: объем возможных поставок, необходимость отбора материалов по специальным требованиям.

Чтобы избежать проблем, возникающих при изготовлении многослойных печатных плат, а также определить причины, порождающие эти проблемы, необходимо четкое понимание сущности технологического процесса изготовления печатной платы еще на этапе  проектирования. Кроме этого, следует учитывать свойства материалов, из которых изготавливается плата, так как от них напрямую зависит ее качество.

В рамках данной статьи мы предлагаем начать знакомство с основами технологий изготовления печатных плат и особенностями поведения материалов для их производства.

Все методы производства печатных плат можно расположить в следующей последовательности (по возрастанию плотности печатного монтажа) [1]:

• односторонние печатные платы (ОПП);
• двусторонние печатные платы (ДПП) комбинированным позитивным методом;
• ДПП полуаддитивным методом;
• ДПП полуаддитивным методом с дифференциальным травлением;
• многослойные печатные платы (МПП) методом попарного прессования;
• МПП методом металлизации сквозных отверстий;
• МПП методом послойного наращивания;
• МПП комбинацией методов металлизации сквозных отверстий и послойного наращивания.

Основным отличием, характеризующим возможности того или иного метода, можно считать реализуемую им плотность межсоединений. При этом необходимо иметь в виду возможное и допустимое число монтажных точек на единицу площади поверхности платы. Чаще всего на практике ограничение плотности монтажа обусловлено размерами элементов и специальными требованиями к электрическим параметрам печатных связей.

Химический субтрактивный метод

- применяется при производстве однослойных печатных плат, а также при изготовлении внутренних слоев МПП (выполненных методами металлизации сквозных отверстий и послойного наращивания).  Собственно с этого метода и начиналась индустрия печатных плат. В качестве исходного материала используются фольгированные медью изоляционные материалы. После переноса рисунка печатных проводников (в виде пленки, стойкой к растворам травления) на фольгированную основу не защищенные от нее места химически удаляются – стравливаются. Отсюда и  название метода. Защитную пленку  наносят полиграфическими методами: фотолитография (защитная пленка формируется из фоторезиста – материала, очувствляемого через фотокопию печатного рисунка – фотошаблон), трафаретная печать (используется специальная, химически стойкая краска) и др. [2].

Этапы стандартного субтрактивного метода:

• вырубка заготовки;
• сверление отверстий (применяется только при изготовлении ОПП, при изготовлении заготовок внутренних слоев МПП эта технологическая операция отсутствует);
• подготовка поверхности фольги (дезоксидация), устранение заусенцев (только для ОПП);
• трафаретное нанесение краски (для ОПП) или нанесение и проявление фоторезиста (при изготовлении внутренних слоев МПП), закрывающих участки фольги, не подлежащих вытравливанию;
• травление платы;
• отмывка и сушка платы;
• нанесение паяльной маски (только для ОПП);
• горячее облуживание или нанесения альтернативного типа финишного покрытия [3] (только для ОПП);
• нанесение маркировки (только для ОПП);
• контроль.

Главные фрагменты субтрактивной технологии показаны на рис.1.

Преимущества субтрактивного метода:

• возможность полной автоматизации процесса;
• высокая производительность;
• низкая себестоимость.

Недостатки субтрактивного метода:

• вследствие необходимости стравливания фольги сравнительно большой толщины образуются большие подтравы, что делает невозможным изготовление плат по высокому классу точности (с малыми значениями зазоров между элементами печатного проводника и малой шириной проводников). Поэтому для изготовления внутренних слоев МПП применяется более тонкая фольга – от 18 мкм и меньше. При ее стравливании образуются подтравы меньшей величины, что повышает класс точности;
• необходимость использования фольгированных материалов, которые дороже, чем нефольгированные;
• необходимость удаления дорогостоящей меди;
• из-за образования больших объемов отработанных травильных растворов возникают дополнительные проблемы с их регенерацией, утилизацией и т.д.

Комбинированный позитивный метод (полуаддитивный метод)

- применятся при производстве ДПП, а также при изготовлении внутренних слоев МПП, выполненных методом попарного прессования. По своей сути комбинированные способы изготовления плат относятся к полуаддитивным. Как и при субтрактивном методе, для изготовления плат по полуаддитивной технологии используются фольгированные диэлектрики. Однако есть существенная разница: при производстве полуаддитивным методом толщина применяемой фольги значительно меньше. В современных технологических процессах изготовления МПП с применением полуаддитивных методов используется фольга толщиной 18 мкм, 12 мкм, 9 мкм и 5 мкм. Дальнейшее формирование рисунка проводников происходит, как и при аддитивных методах, путем гальванического осаждения меди с применением фотошаблонов.

Этапы комбинированного позитивного метода:

• нарезка технологических заготовок;
• очистка поверхности фольги (дезоксидация);
• сверление отверстий (подлежащих металлизации) на станках с ЧПУ (эта технологическая операция применяется только при изготовлении ДПП и заготовок внутренних слоев МПП, выполненных по методу попарного прессования со скрытыми переходными отверстиями);
• активация поверхности под химическую металлизацию;
• тонкая химическая металлизация (до 1 мкм) или палладирование при использовании технологического процесса прямой металлизации отверстий (только для ДПП и заготовок внутренних слоев МПП со скрытыми переходными отверстиями);
• предварительная тонкая гальваническая металлизация (до 6 мкм) – “гальваническая затяжка”;
• нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон-позитив;
• основная гальваническая металлизация (до 25 мкм толщины меди внутри отверстий);
• нанесение металлорезиста;
• удаление экспонированного фоторезиста;
• травление обнаженных участков тонкой фольги между элементами печатного рисунка;
• удаление металлорезиста;
• нанесение контактных покрытий на концевые печатные ламели (только при изготовлении ДПП);
• отмывка платы (заготовки МПП), сушка;
• нанесение паяльной маски (только для ДПП);
• нанесение финишного покрытия на контактные площадки [3] (только для ДПП);
• нанесение маркировки (только для ДПП);
• обрезка платы по контуру (только для ДПП);
• электрическое тестирование, контроль.

Главные фрагменты комбинированного позитивного способа показаны на рис.2.

Преимущества комбинированного позитивного метода:

• возможность создания элементов печатного рисунка с высокой точностью. При использовании фольги толщиной 9 мкм достижимая степень разрешения проводников и зазоров между ними – 75 мкм;
• практически на всех этапах техпроцесса фольга защищает диэлектрическое основание от воздействия технологических растворов. Этим достигается высокое качество поверхности диэлектрика и, как следствие, высокая надежность изоляции;
• хорошая адгезия (прочность сцепления) элементов печатного рисунка и диэлектрического основания платы.

Недостатки комбинированного позитивного метода:

• наличие операций травления приводит к возникновению бокового подтрава проводников. Это ограничивает разрешающую способность процесса. При использовании фольг толщиной 18 мкм и более обеспечение зазоров и ширин проводников на уровне 100 мкм уже может быть проблематичным, так как затрудняет изготовление ультрасложных плат (платы HDI – сверхвысокой плотности размещения элементов печатного рисунка);
• травление рисунка по металлорезисту ограничивает свободу выбора травящих растворов, что влечет за собой рост стоимости изготовления по сравнению с применением типовых субтрактивных методов;
• после завершения травления заготовок МПП необходимо удалять металлорезист, что ведет к увеличению расходов на изготовление.

Для МПП в основном используются методы металлизации сквозных отверстий. Метод попарного прессования уступил в свое время первенство ввиду более низкой гибкости и невозможности использования при создании плат с очень высоким классом точности. Часто метод попарного прессования применяется для изготовления внутренних слоев сложных МПП со скрытыми переходными отверстиями, расположенными внутри структуры плат. Метод послойного наращивания часто применяется в комбинации с методом металлизации сквозных отверстий (для создания сложных МПП со слепыми переходными отверстиями (платы HDI).

Метод попарного прессования печатных плат

- основан на выполнении межслойных соединений посредством металлизации отверстий, как и для обычных двухслойных плат. Для этого применяется полуаддитивный метод изготовления заготовок (или, как чаще называют, – ядер), из которых в дальнейшем и собирается пакет многослойки. Простейшая структура МПП, реализованная таким методом, показана на рис.3.

Этапы метода попарного прессования:

• с помощью комбинированного позитивного способа формируются будущие ядра МПП. Методика изготовления описана выше. Отличие состоит лишь в том, что для будущих наружных слоев рисунок топологии не изготавливается – фольга остается целой. Эти слои будут изготовлены на завершающих стадиях, после этапа прессования заготовки платы;
• заготовки (ядра) с готовыми внутренними слоями спрессовываются. При прессовании между ядрами размещаются слои прокладочной стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой (такая ткань называется препрегом). Выдавленная при прессовании смола заполняет переходные отверстия, защищая их медное гальванопокрытие от химического воздействия при последующих технологических операциях;
• сверление сквозных отверстий (подлежащих металлизации) на станках с ЧПУ;
• активация, тонкая химическая металлизация и гальваническая затяжка – как и для ДПП при комбинированном позитивном способе, но уже применительно для заготовки МПП;
• нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон для изготовления внешних слоев;
• основная гальваническая металлизация;
• нанесение металлорезиста;
• удаление экспонированного фоторезиста;
• травление обнаженных участков тонкой фольги между элементами печатного рисунка внешних слоев;
• удаление металлорезиста;
• отмывка платы, сушка;
• нанесение паяльной маски;
• нанесение финишного покрытия на контактные площадки;
• нанесение маркировки;
• обрезка платы по контуру;
• электрическое тестирование, контроль.

Недостатки метода попарного прессования:

• одним из главных недостатков такого метода является необходимость дважды осаждать на внешних слоях МПП гальваническую медь: сначала при металлизации переходных отверстий ядер, затем при металлизации сквозных металлизированных отверстий. Поэтому толщина меди наружных слоев может достигать в отдельных случаях значений 130–160 мкм (типовое значение – 70–100 мкм). Это резко снижает разрешающую способность рисунка на внешних слоях МПП (вследствие значительных боковых подтравов проводников). Кроме того, неравномерность толщины гальванической меди по плоскости платы не обеспечивает достаточного качества и плотности печатного рисунка;
• при нанесении паяльной маски и защитных лаковых покрытий создаются затруднения в обеспечении качества такого покрытия – лаки стекают с высоких проводников, обнажая их острые кромки. Это приводит к необходимости использования (в качестве паяльных масок) специальных материалов, которые не дают высокой точности при формировании рисунка маски;
• для обеспечения качества металлизации межслойных переходов и их высокой надежности необходимо обеспечить достаточную жесткость заготовок (ядер). Это обстоятельство не позволяет использовать (при таком методе изготовления МПП) тонкие ядра, что влечет резкое увеличение толщины МПП при большом количестве слоев, либо ограничивает количество слоев до 4-6 при необходимости обеспечения толщины платы 1,5-2,0 мм. Такое количество слоев не всегда позволяет получить необходимую плотность топологии;
• для заполнения пробельных мест в рельефе печатного рисунка (между соседними слоями МПП) при высокой толщине меди проводников потребуется  значительное количество смолы. Это обстоятельство приводит к необходимости использования нескольких достаточно толстых слоев прокладочной стеклоткани (препрегов), что также приведет к увеличению суммарной толщины МПП;
• при комбинировании используется два различных технологических метода: гальваническое осаждение меди и травление остатков медной фольги между проводниками. При этом  увеличивается стоимость техпроцесса, а также появляются дополнительные расходы на поддержание растворов, принимающих участие в техпроцессах;
• для наращивания гальванической меди требуется большое время – несколько часов. Это удлиняет весь техпроцесс в целом и плохо стыкуется со временем, необходимым на стравливание меди (несколько минут — при использовании вертикального оборудования со струйным травлением).

Преимущества метода попарного прессования:

• относительная простота реализации, поскольку он основан на обычной технологии металлизации отверстий двухсторонних плат, хорошо освоенной в промышленности;
• высокая скорость изготовления плат, поскольку все заготовки (ядра) могут изготавливаться одновременно в одном технологическом цикле;
• низкая чувствительность к браку и огрехам изготовления отдельных ядер. Это значительно увеличивает выход годной продукции и, как следствие, удешевляет стоимость МПП.

Метод попарного прессования широко распространен на предприятиях, специализирующихся на двухслойных и несложных многослойных платах. Именно этот метод применяется на подавляющем большинстве отечественных предприятий.

Метод послойного наращивания

- заключается в последовательном чередовании слоев изоляционного материала (препрега) и проводникового слоя. Соединения между проводящими элементами соседних печатных слоев производится гальваническим наращиванием меди в отверстиях изоляционного слоя. Пример структуры МПП, реализованной этим методом, показан на рис.4.

Этапы метода послойного наращивания:

• с помощью субтрактивного метода формируются будущее ядро – основа МПП, (формируются слои двух первых внутренних слоев МПП с рисунком печатных проводников и площадок);
• поверх ядра с обеих сторон наносится необходимое количество слоев препрега;
• поверх препрега наносится фольга;
• заготовка подвергается технологической операции прессования;
• с помощью механического сверления (с контролем глубины сверловки), лазерного или плазменного прожига формируются отверстия – основа микропереходов между внешними и ближайшими внутренними слоями заготовки;
• активация, тонкая химическая металлизация и гальваническая затяжка, как и для ДПП при комбинированном позитивном способе;
• нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон для изготовления внешних слоев;
• основная гальваническая металлизация (отличие от классического полуаддитивного метода – большая толщина меди для полного заполнения полостей отверстий микропереходов);
• нанесение металлорезиста;
• удаление экспонированного фоторезиста;
• травление обнаженных участков тонкой фольги между элементами печатного рисунка внешних слоев;
• удаление металлорезиста;
• механическая и химическая очистка, выравнивание и планаризация  поверхности осажденной меди (особенное внимание уделяется областям межслойных переходов – в этих местах не должно быть наплывов меди);
• отмывка заготовки, сушка;
• электрическое тестирование, контроль полученной заготовки;
• далее снова наносится необходимое количество слоев препрега, медной фольги, и все технологические операции повторяются;
• при формировании внешних слоев МПП после прессования заготовки производится сверление сквозных отверстий (подлежащих металлизации) на станках с ЧПУ;
• далее опять повторяется ряд технологических операций по гальванической металлизации и травлению остатков меди между элементами русунка;
• нанесение паяльной маски;
• нанесение финишного покрытия на контактные площадки;
• нанесение маркировки;
• обрезка платы по контуру;
• электрическое тестирование, контроль всей платы.

Основным преимуществом данного метода изготовления МПП является исключительно высокая плотность размещения проводников во всех слоях печатной платы и очень высокая плотность монтажа. Это достигается вследствие возможности выполнения межслойных переходов в любой точке платы, независимо от трассировки и расположения межслойных соединений любых смежных слоев.

Недостатки метода послойного наращивания:

• ограниченное количество слоев МПП. Как правило, нельзя производить операцию прессования более пяти раз, поэтому количество слоев такой МПП будет не более двенадцати. Это связано с тем обстоятельством, что при каждом следующем прессовании нового слоя диэлектрик внутренних слоев (с уже сформированной структурой) подвергается тепловому стрессу и большим механическим нагрузкам. С каждым новым прессованием происходит нарушение уже сформировавшейся структуры полимеризованной ранее смолы внутренних слоев. Таким образом, при наращивании новых слоев происходит старение и деградация внутренних слоев, что ограничивает слойность платы и уменьшает ее надежность в целом;
• при комбинированных методах, используемых для изготовления слоев при послойном наращивании МПП, используется два различных технологических метода: гальваническое осаждение меди и травление остатков меди между проводниками. Следует обратить внимание, что толщина осаждаемой меди достаточно значительна (не менее 35мкм) для обеспечения заполнения отверстий межслойных переходов. Эти обстоятельства влияют на рост стоимости техпроцесса и приводят к дополнительным расходам на поддержание растворов, принимающих участие в техпроцессах;
• для наращивания гальванической меди требуется большое время – несколько часов, что делает техпроцесс изготовления каждой новой пары слоев достаточно продолжительным. Так как наращивание новых слоев происходит последовательно (только после полного завершения техпроцесса изготовления предыдущей пары слоев), то полный цикл изготовления МПП по этому методу занимает очень большое время;
• при возникновении дефектов изготовления последующих слоев вся полученная заготовка уходит в брак. Это значительно снижает выход годной продукции и, как следствие, приводит к удорожанию годных плат;
• особенности гальванического осаждения меди в толстых слоях приводят к необходимости тщательной очистки технологических растворов и электролитов на протяжении всего техпроцесса изготовления. Для обеспечения постоянных условий такой металлизации необходимо более часто производить химический анализ, корректировку и очистку рабочих растворов.

Сложность послойного наращивания (в сочетании с высокой реализуемой плотностью топологии печатного рисунка и монтажа) определили этот метод в основном для изготовления ультрасложных МПП в опытном производстве с высокой технологической культурой. Внедрение его в серийное производство встречает множество трудностей, из-за чего возможно выполнить только опытные образцы и очень малые серии плат. По этим причинам применение метода послойного наращивания, ввиду имеющихся ограничений и высокой стоимости МПП, оправдано только для изготовления уникальной аппаратуры с высокой надежностью.

Метод металлизации сквозных отверстий

- в общих чертах мало отличается от метода попарного прессования, но имеет ряд существенных отличий в деталях. Так же, как и при методе попарного прессования, изготавливаются ядра, на которых выполнен проводящий рисунок будущих внутренних слоев МПП. Однако способ изготовления ядер чисто субтрактивный, межслойные микропереходы между слоями (принадлежащими одному ядру) не изготовляются. После прессования заготовки МПП из ядер выполняется: сверловка сквозных отверстий, гальваническое осаждение меди и изготовление топологии внешних слоев МПП с применением комбинированного позитивного метода.Типичная структура МПП, изготовленная методом металлизации сквозных отверстий, показана на рис.5.

Этапы изготовления МПП методом металлизации сквозных отверстий:

• вырубка заготовок ядер МПП из фольгированного диэлектрика;
• подготовка поверхности фольги (дезоксидация);
• нанесение и проявление фоторезиста, закрывающего участки фольги, не подлежащих вытравливанию;
• травление заготовок;
• отмывка и сушка заготовок;
• электрическое тестирование, контроль полученных заготовок;
• подготовка поверхности фольги (активация) для обеспечения лучшего сцепления фольги с препрегами при прессовании;
• прессование заготовок в единый пакет;
• сверление сквозных отверстий (подлежащих металлизации) на станках с ЧПУ;
• очистка отверстий от наносов смолы (desmaer-процесс);
• активация меди, тонкая химическая металлизация и гальваническая затяжка (как и для ДПП при комбинированном позитивном способе);
• нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон для изготовления внешних слоев;
• основная гальваническая металлизация, нанесение металлорезиста и удаление экспонированного фоторезиста;
• травление обнаженных участков фольги между элементами печатного рисунка внешних слоев;
• удаление металлорезиста;
• отмывка платы, сушка;
• нанесение паяльной маски;
• нанесение финишного покрытия на контактные площадки;
• нанесение маркировки;
• обрезка платы по контуру;
• электрическое тестирование, контроль.

Недостатки метода металлизации сквозных отверстий:

• главный недостаток – относительно механически слабая связь металлизации отверстий с торцами контактных площадок внутренних слоев. Это приводит к осложнению изготовления МПП по высоким классам надежности, необходимости применения специальных методов очистки и подготовки поверхности отверстий перед металлизацией;
• для обеспечения качественной металлизации отверстий необходимо соблюдать отношение минимального диаметра отверстия к толщине платы как 1:8, не более (увеличение соотношения к 1:10 и более приводит, как правило, к снижению качества металлизации и снижению надежности платы). Это ограничивает либо минимальный диаметр переходных отверстий МПП (изготовленных по этому методу), либо толщину платы;
• из-за отсутствия межслойных переходов этот метод имеет несколько более низкую плотность размещения топологии и монтажа. Так как переходные отверстия сквозные, то при изготовлении перехода с одного из сигнальных слоев на другой отверстия и контактные площадки к ним будут присутствовать на всех остальных слоях. Это ограничивает эффективную площадь трассировки на всех слоях и вводит ограничения на размещение компонентов и на расположение переходных отверстий;
• необходимо точно совмещать печатные слои при изготовлении ядер, а также ядра при прессовании. Малейшие неточности совмещения в процессе прессования, деформации базовых материалов, а также погрешности фотошаблонов и неточности при сверлении отверстий приводят к нарушению подключений фольги (во внутренних слоях) к гальванической меди, осажденной в полости отверстий;
• особой тщательности требует подбор режимов прессования и качество технологической оснастки прессов (для обеспечения прочной адгезии пакета слоев). Не менее важна равномерная полимеризация смолы во всей структуре МПП, чтобы обеспечить дальнейшую устойчивость МПП к температурным воздействиям в процессе группового монтажа.

Преимущества метода металлизации сквозных отверстий:

• возможность высокой автоматизации процесса изготовления МПП и полной автоматизации при изготовлении ядер, поскольку этот процесс основан на обычной субтрактивной технологии, хорошо освоенной в промышленности;
• простота реализации МПП, так как все процессы однотипны и просты, не требуют сложной оснастки;
• высокая скорость изготовления плат, поскольку все заготовки (ядра) могут изготавливаться одновременно в одном технологическом цикле;
• низкая чувствительность к браку и огрехам изготовления отдельных ядер. Это значительно увеличивает выход годной продукции и, как следствие, удешевляет стоимость МПП.
• высокая повторяемость и скорость изготовления рисунка топологии (особенно при использовании струйного травления) позволяет широко использовать этот метод в крупносерийном производстве;
• использование фольгированных диэлектриков с малой толщиной фольги позволяет уменьшить боковой подтрав и изготавливать проводники малой ширины с высокой точностью. Применение струйного травления и широкий выбор травящих растворов позволяют изготавливать проводники с высоким качеством и стабильностью параметров шириной до 75 мкм, при таком же значении зазоров на фольге толщиной 18 мкм. Это позволяет изготавливать печатные платы высокой сложности с большой плотностью топологии, недостижимой при использовании других методов изготовления МПП;
• отсутствие межслойных переходов позволяет применять очень тонкие диэлектрические основания для изготовления ядер МПП, а малая толщина фольги позволяет использовать тонкие препреги. Применение же тонких диэлектриков приводит к возможности изготовления МПП небольшой толщины с большим количеством слоев;
• этот метод позволяет изготавливать печатные платы с практически не ограниченным количеством слоев, тем самым компенсирует более низкую плотность размещения топологии и монтажа. По сравнению с другими методами изготовления он значительно упрощает топологию, поскольку позволяет предоставить конструктору большую вариантность в размещении трасс, использовать более короткие линии связи;
• возможность введения дополнительных слоев без существенного увеличения стоимости плат позволяет выполнять в структуре МПП экранирующие слои, отводить под питание отдельные слои. Это приводит к улучшению характеристик быстродействующих сигналов, повышению качества питания компонентов, высокой степени защиты сигналов от внешних и внутренних электромагнитных помех и снижению излучения элементами топологии, что существенно при проектировании сложных быстродействующих устройств.

Однако существуют по крайней мере две причины, которые делают невозможным эффективное использование метода металлизации сквозных отверстий для изготовления ультрасложных МПП. Первая причина – использование микросхем в корпусах BGA с малым шагом выводов. Вторая причина – использование сверхбольших микросхем (СБИС) в корпусах BGA, LGA и им подобных с очень большим количеством выводов. Рассмотрим эти случаи более детально.

При использовании микросхем в BGA-корпусах с шагом выводов 0,60 мм и меньше возникает необходимость применения переходных отверстий с очень малым диаметром. Например, для микросхем с шагом расположения шариков 0,50 мм необходимо использовать переходные отверстия диаметром 0,10 мм. Качественную металлизацию таких микроотверстий можно обеспечить только при относительно небольшой толщине платы – 0,50-0,80 мм, не более. Такое ограничение по толщине платы может не позволить изготовить МПП с необходимым количеством слоев. Кроме того, сам технологический процесс осаждения меди в каналах сквозных отверстий столь малого диаметра вызывает зачастую непреодолимые технологические трудности, причиной которых становятся капиллярные эффекты внутри таких микроотверстий.

При применении в конструкции устройства СБИС в BGA-корпусах с количеством шариков от 800 и более, для корректной разводки, возникает необходимость в использовании большого количества слоев (16 и более). Ситуация усугубляется в случае большого потребления тока в цепях питания СБИС и большой рассеиваемой мощности, а тем более при необходимости построения согласованных линий передач. В этом случае возникает необходимость применения дополнительных слоев питания, теплоотводящих слоев, экранирующих слоев, расположенных между каждой парой сигнальных слоев. Для строгого соблюдения согласования импедансов линий передач сигнала регламентируются расстояния между сигнальными и опорными слоями. Все это приводит к необходимости применения очень большого числа слоев в МПП, увеличению ее толщины и повышению требований к точности изготовления элементов печатного рисунка, а также точности совмещения слоев и точности сверловки. Вследствие сказанного выше, стоимость изготовления печатной платы существенно возрастает.

Рис. 6. HDI-структура МПП с глухими и скрытыми отверстиями

Рис. 7. HDI-структура МПП с глухими стековыми микроотверстиями, заполненными медью

Рис. 8. Усложненная HDI-структура МПП с глухими и скрытыми микропереходами

При значительном увеличении толщины МПП для обеспечения качественной металлизации возникает необходимость использования переходных отверстий большего диаметра, что не всегда возможно конструктивно, так как пространство для расположения переходных отверстий (возле выводов BGA-корпуса) строго регламентировано.

Именно эти причины привели к отказу использования (в чистом виде) метода металлизации сквозных отверстий для изготовления ультрасложных МПП (платы HDI – сверхвысокой плотности размещения элементов печатного рисунка). Для таких плат характерной чертой стало объединение нескольких методов изготовления [6], [7]. Чаще всего при изготовлении HDI-структур используют комбинацию методов металлизации сквозных отверстий и послойного наращивания. Совместное применение этих методов дает наилучшие результаты для изготовления проводников малой ширины и с малыми зазорами между элементами печатного рисунка. При такой комбинации методов, как правило, внутреннее субъядро HDI-структуры изготавливается методом металлизации сквозных отверстий. Затем методом послойного наращивания выполняются слои, имеющие микропереходные отверстия между смежными слоями. Простейший пример такой структуры показан на рис. 6.

Таким же способом можно изготавливать и HDI-структуры с большим количеством различных типов микропереходов на более глубокие слои (например, как на рис.7). Это позволяет значительно снизить количество слоев платы, что благотворно сказывается на надежности и стоимости изготовления. Структуры именно такого типа применяются при изготовлении сложных МПП для мобильных устройств, МПП высокой плотности с ограничениями по размеру и в устройствах с использованием СБИС с большим количеством выводов и малым шагом выводов BGA-корпусов.

Существуют и более экзотические варианты построения стека МПП. Например, как на рис.8. Однако чрезмерная сложность изготовления, включающая множество технологических процессов, значительно увеличивает стоимость готового изделия. Невозможность высокой автоматизации изготовления ограничивает применение таких структур. Как правило, платы с подобными стеками применяются только в исключительных случаях для реализации высокотехнологичных устройств с очень высокой степенью надежности, но не требующих серийного производства. Например: для применения в космической технике, изделиях военного назначения, для построения уникальных устройств и т.п.

Литература:
1. А. Медведев. Печатные платы. Конструкции и материалы. – М.: Техносфера. 2005. 304 с.
2. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. – М.: ФОРУМ. 2005. – 560 с.
3. И. Барановский. Современный дизайн и технологии печатных плат: вопрос-ответ. Финишные покрытия плат. Особенности применения. CHIP NEWS Украина, #04 (84), май, 2009
4. А. Медведев. Технология производства печатных плат. –М.: Техносфера. 2005. –360 с.
5. А.А. Федулова, Ю.А. Устинов, Е.П. Котов и другие. «Технология многослойных печатных плат»: Радио и связь, 1990г.
6. Под научным руководством и редакцией Ф.П. Галецкого. «Конструкция и технология изготовления многослойных печатных плат быстродействующих ЭВМ»: Москва, 1991г.
7. Happy Holden, The HDI Handbook. First Edition, 2009, 631p.