Контрактное изготовление печатных плат в Китае. Технологические особенности и возможности.

На сегодняшний день вопрос по изготовлению печатных плат в России более чем актуален во многих направлениях, начиная с базовых материалов, кадров, технологического оборудования и заканчивая обязательной маркировкой изделий. Как показала встреча и материалы докладов на дискуссионной сессии «Вызовы и перспективы российской отрасли печатных плат» выставки ExpoElectronica 2025, на территории России изготавливаются 20–25% от общего объема потребления печатных плат. Остальные платы поставляются нам из-за границы (в большинстве случаев изготовленные на фабриках Китайской Народной Республики). Радостно слышать, что у нас развивается собственное производство. Идет масштабное до- и переоснащение действующих производств, наращивается мощность и технологические возможности, планируется открытие новых предприятий. Некоторые компании занимаются и продолжают развивать направление материалов (инструментов) и оборудования для производства, появляются центры исследований и разработки (R&D). Заметно также внимание государственных служб и ведомств к вопросу производства печатных плат и радиоэлектроники:

• были введены налоговые льготы (в 2024 г. Росстандарт добавил печатные платы в классификатор ОКПД2, что позволило производителям платить налоги по сниженной ставке);

• снизились тарифы страховых взносов (в 2022 г. для разработчиков и производителей электронно-компонентной базы (ЭКБ) и электронной продукции были снижены тарифы страховых взносов);

• в планы по развитию отечественного рынка радио- и микроэлектроники до 2030 г. входит работа по обязательному использованию печатных плат отечественного производства в электронной технике, производимой в РФ.

В этой статье пойдет речь не об этом. По большому счету, печатная плата, произведенная в России или любой другой стране, не отличается по своей конструкции, а имеет общее единое назначение и служит для применения радиоэлектронного изделия. Конечно, в зависимости от назначения изделия могут меняться критерии оценки качества и надежности, применения конструкционных материалов, допустимых дефектов и отклонений. Но, по большому счету, плата служит в качестве базовой несущей конструкции для коммутации и монтажа электронных компонентов в соответствии с электрической схемой изделия. Автору этой статьи как специалисту, который более 20 лет занимается радиоэлектронным производством и, в частности, 14 лет посвятил работе с печатными платами, было очень интересно пообщаться с представителем китайского завода, а также задать вопросы по технологическим возможностям и организации производства на заводе.

В табл. 1 представлены общие технологические возможности производства (в результате более детального обсуждения этого вопроса появился документ на пять страниц 10-м кеглем, который, конечно, представляет интерес для технологов и конструкторов этого направления, но явно превышает возможности журнальной публикации).

На рис. 1 представлен перечень типовых технологических процессов для производства многослойных печатных плат (МПП). На этом рисунке, который дает наглядное представление о последовательности техпроцесса, указаны только основные этапы и вспомогательные промежуточные операции. В зависимости от конструктивно-технологических особенностей каждого проекта печатной платы маршрут изготовления, применяемое оборудование и технология могут варьироваться. По этой схеме изготавливают печатные платы и наши российские коллеги. 

Рассмотрим указанные этапы подробнее, выделим ключевые особенности и моменты. 

Подготовка файлов (написание управляющих программ).

Входными данными для производства являются .cam-файлы, комплект .gbr+excellon-файлов, ODB++. Далее на специализированном ПО осуществляется проверка проекта и написание файлов на выполнение отдельных технологических операций для оборудования с ЧПУ. Цель проверки правил проектирования печатной платы (DRC) состоит в том, чтобы обеспечить соответствие проекта возможностям применяемого оборудования и отлаженных на производстве процессов (ширина дорожек, зазоры между элементами топологии, сохранение гарантийного пояска, кислотные ловушки, размер вскрытия защитной паяльной маски, ошибки в слое шелкографии и т.д.). Затем осуществляется анализ технологичности конструкции (DFM), в ходе которого корректируются выявленные отклонения при DRC-проверке и дополнительно проверяется «технологичность» изделия (баланс меди по слоям, равномерность стека, контроль импеданса и т.д.). Заметим, что это важный момент, так как от него зависит выход годных изделий и качество (культура) проектирования – ключевой этап при изготовлении платы. Понятно, что начертить можно всё, но не всё можно изготовить. Кроме того, стоит учесть наш кадровый вопрос – к великому сожалению, имеется нехватка конструкторов с высокой квалификацией и опытом, а когда трассировкой занимается непрофессионал, это сразу видно по проекту платы. Непосредственно к технологии этот вывод относится в меньшей степени. 

Нарезка и заготовка материала.

Из листов или рулонов материала делается раскрой под базовые заготовки, после чего снимается фаска, выполняется обработка кромок и зачистка заготовок материала. Заметим, что самым распространенным размером технологической заготовки являются значения 18×24 дюйма (457×610 мм).

Изготовление внутренних слоев.

На данном этапе выполняется ряд технологических операций: нанесение фоторезиста, экспонирование, проявление, промежуточный контроль системой АОИ (автоматическая оптическая инспекция), травление, снятие фоторезиста (раздубливание), контроль АОИ (финишный контроль слоя). 

Рассмотрим некоторые интересные моменты, которые были затронуты в беседе. Помещение, в котором производится нанесение и экспонирование фоторезиста, оборудовано по специальным климатическим условиям: класс ISO 7 (для работы со сложными платами – ISO 5); приточно-вытяжная вентиляция обеспечивает ламинарный поток воздуха для минимизации пыли; температура в помещении контролируется и поддерживается на уровне 20–22°C ±1°C; относительная влажность (критичная для адгезии и экспозиции резиста) поддерживается на уровне 40–55% для предотвращения проблем с набуханием или высыханием резиста. Управление процессом климатики помещения осуществляется в автоматическом режиме путем мониторинга в реальном времени с помощью датчиков и автоматизированных систем обратной связи. Для получения рисунка применяются сухие пленочные и жидкие фоторезисты. Пленочный фоторезист (DFR) наиболее часто используется в производстве печатных плат благодаря простоте обработки, однородности и совместимости с субтрактивными процессами. Его типичная толщина составляет 15–75 мкм. Для производства печатных плат со сверхвысоким разрешением (например, HDI, 6 и 7 классов точности) применяются жидкие фоторезисты, которые наносятся с помощью центрифугирования, распыления или нанесения покрытия методом полива. В таких случаях достигается более тонкий слой (2–15 мкм), что позволяет получить более мелкие детали элементов печатного монтажа (например, величину проводник/зазор < 25 мкм), но это требует точного контроля параметров вязкости, экспозиции и проявления. Основное правило при выборе: высота фоторезиста должна быть как минимум в 2–3 раза больше толщины меди, чтобы обеспечить надлежащую стойкость к травлению и воспроизведению элементов. Для внутренних слоев многослойных печатных плат обычно применяются материалы с толщиной медной фольги 12 или 18 мкм. Для «тонких» элементов в современных печатных платах используется сверхтонкая фольга толщиной 5 или 9 мкм. Традиционно для получения рисунка на простых и серийно изготавливаемых платах применяется «фотошаблонная» технология. Однако при современном производстве чаще стали использоваться «прямые» системы экспонирования – лазерные (LDI) или световые (DLP), которые повышают разрешение элемента топологии, снижают ошибки рассовмещения и допускают динамическую корректировку топологии рисунка (коэффициенты масштабирования). Электронно-лучевая литография используется для исследований и разработки (в случае изготовления плат R&D). 

Для последующего контроля качества внутренних слоев применяется система АОИ, с помощью которой проверяются и сравниваются топологические данные с полученного рисунка с его математической моделью (файлом). Послойно измеряются регистрационные метки (реперные знаки); при необходимости вводятся коэффициенты масштабирования (выравнивания) для последующих технологических операций или коррекции данных всего проекта в САПР. В табл. 2 кратко описаны параметры, материалы и технологии изготовления сложных HDI-плат.

На рис. 2 представлена одна из установок прямого экспонирования для создания рисунка внешних и внутренних слоев.

Прессование.

Под проект платы комплектуется набор внутренних слоев. Они подготавливаются, затем собираются (совмещаются и скрепляются) в единый «пакет» согласно схеме сборки (под каждый проект платы). Укладываются внешние медные фольги с чередованием внутренних слоев и препрегов (не полностью отвержденная стеклоткань с эпоксидной пропиткой). Далее собранный пакет спрессовывается в одну плату под давлением и нагревом. Имеется также возможность изготовления плат попарным прессованием, послойным наращиванием, сборкой пакета из материалов разных типов и т.д. в зависимости от исходного проекта платы. Методы совмещения слоев и закрепление «пакета» перед прессованием выбираются в зависимости от требований к рассовмещению печатной платы и его допусков. В простых платах используется «штифтовая» сборка – системы пиннинга (наиболее распространенные) и сборка на штифтах с инструментальными отверстиями: внутренние слои и препреги укладываются с использованием прецизионных инструментальных отверстий (обычно с допуском ±25–50 мкм). Для сложных плат применяются оптические системы выравнивания (или рентген): автоматизированные системы технического зрения выравнивают реперные метки перед прессованием с последующим скреплением пакета. Скрепление может выполняться:

• «заклепками» (медные или пластиковые/для плат толщиной не более 2,5 мм);

• «временными клеями» (УФ- или термически активируемые клеи слегка соединяют слои перед полным прессованием);

• «лазерной сваркой» (используется в печатных HDI-платах высокого класса для сверхточного выравнивания).

Для минимизации коробления и воздушных включений необходимо предусматривать сбалансированную конструкцию сборки, симметричное распределение меди (избегая «тяжелой» меди на одной стороне), использование материалов с низким коэффициентом теплового расширения (КТР). Кроме того, требуется управлять самим процессом прессования: предусмотреть медленный нагрев (2–5°C/мин) для предотвращения неравномерного расширения; охлаждение под давлением для фиксации слоев на месте. Для дополнительного снятия внутренних напряжений после ламинирования выполняется отжиг пакета (при использовании материалов с высокой температурой стеклования). Для устранения воздушных включений (пустот) необходимо иметь вакуумные прессы. Применяются также продувочные или разделительные пленки, предусматривается кондиционирование препрега. Дополнительно проводится проверка времени гелеобразования препрега. Он должен иметь контролируемое время гелеобразования для обеспечения надлежащей текучести и склеивания. К этим методам проверки относятся: дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC), которая позволяет измерять поведение смолы при отверждении под контролируемым нагревом; тестирование реологии – отслеживание изменения вязкости при нагреве (точка гелеобразования – это момент резкого возрастания вязкости); эмпирические испытания прессования – небольшие пробные запрессовки для наблюдения за текучестью и отверждением смолы. В табл. 3 приведены основные сводные параметры для прессования.

Сверление отверстий под металлизацию.

При этой операции выполняются элементы печатного монтажа для последующей металлизации – переходные, монтажные или (реже) крепежные отверстия, торцы, пазы и т.д. Выделяют их по способу получения:

• механические: (сверление, фрезерование) в том числе на заданную глубину или сквозные;

• лазерные: создание микропереходных отверстий (чаще на определенную глубину) в HDI-платах.

Кроме того, после механической обработки пакета (сверление, фрезеровка) необходимо предусмотреть удаление/снятие продуктов резания (заусенцев, микросколов, стружки, пыли, смолы из-за эффекта наволакивания) и подготовку стенок для последующего осаждения металла. Выбор режимов резания или параметров сверления (скорость вращения шпинделя, скорости подачи и отвода) оптимизируется на основе укладки материала и типа сверла. К ключевым факторам относятся:

• твердость материала (FR-4, СВЧ-материалы, полиимид и т.д.);

• толщина укладки плат;

• диаметр отверстия и отношение глубины отверстия к диаметру.

На рис. 3 представлен участок сверления.

Стоит отметить некоторые моменты: сверление с периодическим выводом сверла (для глубоких отверстий), сверло входит поэтапно для очистки от продукта резания. Также для получения качественных отверстий применяют специализированные подложки и накладки для проведения сверления и фрезеровки. Они позволяют увеличить точность входа/выхода инструмента, увеличить его ресурс и снизить появление негативных факторов резания. Также стоит отметить максимальную толщину пакета для сверления: типичное значение составляет 6–10 мм (зависит от возможностей сверлильного станка). Таким образом для увеличения производительности и в случае изготовления несложных плат можно просверлить до 3–6 шт. в одном пакете, однако есть и ограничивающие факторы: длина инструмента (рабочая часть поверхности, должна превышать толщину стека) и жесткость шпинделя (для предотвращения прогиба/ и увода инструмента от центра координат отверстия). Контроль позиционирования инструмента и совмещения слоев пакета для сложных HDI-плат осуществляется по рентгену для обеспечения выравнивания отверстия с рисунком внутренних слоев. Для простых печатных плат не требующих такой точности, возможно использование оптических систем, предварительное сверление «базовых» отверстий с использованием систем технического зрения. Таким образом при изготовлении несложных плат можно добиться величины рассовмещения топологического рисунка пакета платы и изготовленного отверстия ±50–75 мкм, а в случае применения систем рентгеновской сверловки и прямой литографии (LDI) величина рассовмещения уже будет составлять: ±10–25 мкм. Перед нанесением покрытия металлизации отверстий их необходимо очистить и активировать.

Основные этапы:

• удаление заусенцев — механическая очистка для удаления следов сверления;

• очистка (для удаления смол) – плазменное травление, предпочтительно для высоконадежных и сложных HDI-плат;

• химическое травление (перманганат/серная кислота) обычно применяется для материалов типа FR-4 (наиболее распространенных).

Также применяется гидроабразивная обработка. Возможна комбинационная очистка отверстий в случае комбинированных материалов. В табл. 4 сравниваются методы очистки и активации отверстий.

Металлизация отверстий. Для получения высоконадежных и сложных HDI-плат при организации межслойной и сквозной металлизации в структуре применяется двухступенчатая металлизация. На подготовленную стенку осуществляется химическое осаждение меди. Тонкий затравочный слой составляет около 0,5–2 мкм (в некоторых случаях используется дополнительная «подтяжка» до 5–7 мкм). Затем поверх него происходит гальваническое доращивание толщины меди до 20–25 мкм. Для стабильности процесса химического осаждения меди применяется перемешивание и барботирование воздухом рабочего раствора для проникновения в отверстия с высоким отношением диаметра к толщине платы. Кроме того, для равномерного осаждения необходимо, чтобы рабочая температура раствора поддерживалась на уровне 25–40°C. Регулярно выполняется химический анализ, а также мониторинг концентраций Cu2+, pH и восстановителя. Для контроля осаждения при химической металлизации осуществляется визуальное обследование внутренней поверхности отверстий платы (под микроскопом), и изготавливаются микрошлифы. Целью этой работы является проверка 100-% покрытия внутренних стенок отверстия на заданную толщину. Затем выполняется гальваническое меднение (электролитическое осаждение меди) до заданного значения.

Для контроля однородности и толщины покрытия контролируются следующие процессы:

• оптимизация плотности тока – используется низкий ток (1–2 А/дм2) для равномерного покрытия в глубоких отверстиях;

• импульсное осаждение (прямой и обратный ток), которое снижает наросты на кромках;

• применение вспомогательных катодов/анодов, которое уравновешивает распределение тока в рабочей ванне;

• использование специальных «пакетов химических добавок» – осветлителей (улучшают подготовку поверхности), выравнивателей и подавителей (предотвращают избыточное покрытие на кромках).

Однако при использовании химических добавок возникает необходимость в их контроле:

• испытание ячейки Хулла;

• циклическая вольтамперометрическая десорбция (CVS);

• применение автоматических систем дозирования, которое поддерживает уровни добавок с определенным допуском.

На рис. 4 представлена одна из линий химической металлизации.

Кроме того, необходимо регулярно проводить испытания пластичности медного осадка на удлинение/растяжение и твердость для обеспечения хорошей пластичности и контроля охрупчиваемости. Применяются методы прямой (одноступенчатой) металлизации на основе палладиево-оловянных растворов: «процесс ЕЕ-1», «технология Neopact» или углеродные и графитовые системы: «технология Black Hole», «процесс ViaKinq», процессы с использованием токопроводящих полимеров – «система Envision HDI». Их преимуществом является более низкая стоимость технологического процесса; процесс металлизации занимает меньше времени и он экологичнее. Однако в случае изготовления сложных HDI-плат (с жесткими требованиями к надежности) и структур с микроотверстиями наиболее предпочтителен классический двухэтапный процесс (в настоящее время). 

На рис. 5 представлена линия осаждения меди в отверстия с получением слоя металлорезиста.

Создание внешнего рисунка.

По сути, эта операция идентична получению рисунка внутренних слоев, но имеет ряд отличий из-за свойств материалов и особенностей уже выполненных ранее процессов (в случае тентинг-метода). В этой связи следует заметить, что на большинстве производств (в том числе в России) внешний рисунок платы получают после химической металлизации с «подтяжкой». На плате выполняется печать рисунка внешнего слоя с помощью фотолитографии, после чего она поступает на гальваническое меднение и в едином технологическом цикле покрывается металлорезистом, по которому впоследствии осуществляется травление рисунка, а после удаления слоя фоторезиста применяется комбинированный позитивный метод. Для экспонирования внешних слоев самым распространенным методом является прямая литография (LDI). Она позволяет уменьшить рассовмещение с просверленными отверстиями и компенсировать усадку/растяжение материала полученного в результате прессования пакета платы путем ввода динамического коэффициента масштабирования рисунка X/Y (как видно из табл. 5, обычно это значение составляет 0,997–1,002x).

В то же время для серийного изготовления простых плат можно применять и классическую «шаблонную» литографию. Заметим также, что для контроля рассовмещения помимо инспекции АОИ применяется рентген-контроль для проверки допусков рассовмещения внутренних слоев и просверленных отверстий. 

Травление (рис. 6).

Для получения внешнего рисунка применяется щелочное травление в установках конвейерного типа (в большинстве случаев). Процесс включает в себя выборочное удаление меди с поверхности заготовки, где отсутствует защитное покрытие (металлорезист), и его последующее удаление. Для равномерности травления по поверхности и контроля скорости травления используется принцип «распылителя»: осциллирующие сопла форсунок равномерно распыляют рабочий раствор по всей поверхности заготовки, предотвращая «затенение» (неравномерное травление в плотных областях). Скорость движения конвейера регулирует время нахождения заготовки с рабочим раствором для обеспечения равномерного травления (быстрое движение для «тонкой» медной поверхности, медленное – для «толстой»). Кроме того, необходимо контролировать параметры рабочего раствора для стабильности и повторяемости параметров процесса: концентрация меди; ОВП (окислительно-восстановительный потенциал), который отслеживает активность травителя; рабочая температура. Широкое применение нашли также установки регенерации травильного раствора, которые позволяют снизить затраты на утилизацию за счет повторного использования 70–90% раствора травителя. При травлении рисунка очень часто образуются «ловушки», «лужи», «шлейф», что ведет к перетравливанию дорожек и браку заготовок. 

Однако и в этом случае имеются некоторые способы, которые позволяют избежать этих проблем: промывка под высоким давлением после травления, наклон и дренаж заготовки в конвейере во время травления/промывки, применение «воздушных ножей» для обдувки заготовки, ввод химических добавок для снижения поверхностного натяжения раствора, динамическая регулировка давления раствора сопла при подаче раствора, вращение заготовки. Эти способы и приемы обеспечивают равномерное травление. В табл. 6 представлены значения параметра «Проводник/зазор» для разной толщины медной фольги при допустимом факторе бокового травления в диапазоне 2–2,5. 

Нанесение защитной паяльной маски.

Паяльная маска присутствует практически на каждой современной плате. Она защищает плату при монтаже и дальнейшей эксплуатации изделия. Рассмотрим несколько методов нанесения паяльной маски.

Трафаретная печать (наиболее распространенная для стандартных печатных плат). Использует сетчатый трафарет с рисунком для нанесения жидкой фотоформируемой паяльной маски (LPSM). Плюсы: экономическая эффективность, подходит для больших партий. Минусы: ограниченное разрешение по печати.

Нанесение покрытия маски методом полива (покрытие заливкой). Плюсы: превосходный контроль толщины, высокая производительность. Минусы: ограничения по высоте проводников, требуется точный контроль параметров процесса.

Струйная печать (струйно-факельное распыление) обеспечивает достаточную толщину маски на краях высоких печатных проводников и между соседними проводниками. Поскольку распыление осуществляется только на заданную область, расход паяльной маски мал. Область распыления расположена поперек движения конвейера, что обеспечивает равномерность нанесения по толщине покрытия на всей площади заготовки.

Электростатическое распыление паяльной маски (самый современный метод) используется для селективной маскировки на высоконадежных HDI-платах. Механизм нанесения защитного покрытия на печатные платы состоит в том, что заряженные частицы маски притягиваются к поверхности под действием электростатического поля. Плюсы: отсутствие паяльной маски на контактных площадках, подходит для компонентов с малым шагом, меньший расход материала. Минусы: при сложной форме, наличии глубоких карманов или впадин распыление может оказаться неэффективным. Частицы маски оседают, в основном, на кромках и выступах. Необходимость обеспечить заземление заготовки.

После классических методов нанесения на заготовку паяльную маску поддубливают, используя УФ- или термическое отверждение, экспонируют для получения рисунка (проводят фотолитографию рисунка), проявляют и производят окончательную сушку. Для обеспечения адгезии необходимо подготовить поверхность перед нанесением. Обычно это делается путем микротравления или плазменной обработки. В дальнейшем выполняется контроль нанесения. Толщина покрытия должна быть в пределах 10–30 мкм (после полного отверждения), что контролируется вихретоковым толщиномером или срезом тест-купона с заготовки и замером его с помощью микроскопа. Для контроля качества нанесения проверяется также сопротивление отслаиванию, и выполняется термоудар на тестовой заготовке из партии изготовления. Для отсутствия маски на контактных площадках, предназначенных для пайки, необходимо в рисунке топологии предусмотреть допуск на вскрытие:

• 50–75 мкм для стандартных печатных плат;

• 25–30 мкм для печатных HDI-плат c элементами плотного монтажа Fine Pitch;

• 15–20 мкм для контактных площадок с корпусами под элементы μBGA/WLCSP.

В свою очередь, трафаретная печать позволяет получить рисунок с совмещением ±25–50 мкм, струйная печать/с LDI-экспозицией: ±10–15 мкм. Необходимо также отметить такой параметр как «минимальный мостик» паяльной маски для стандартных плат, который составляет 75–100 мкм (между соседними площадками); для печатных HDI-плат: 50 мкм (с печатью LDI и струйным нанесением); для элементов со сверхтонким шагом Chip-on-Board: 30 мкм.

В табл. 7 представлены сводные характеристики паяльной маски

Нанесение финишного покрытия.

Как уже упоминалось, печатная плата необходима для пайки компонентов и их коммутации. Поскольку медь со временем окисляется, для качественной пайки радиокомпонентов на элементы топологии платы без паяльной маски наносятся специальные слои или сплавы. Наиболее распространенными являются следующие виды финишных покрытий:

• HASL (Hot Air Solder Leveling) – горячее лужение, которое выполняется с использованием свинцовосодержащего или бессвинцового сплава;

• иммерсионные покрытия, самым распространенным из которых является ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold); используется также иммерсионное олово Im Sn или иммерсионное серебро Im Ag;

• OSP (Organic Solderability Preservative) – органическое покрытие для временной защиты толщиной 0,2–0,6 мкм на основе имидазола и бензотриазола.

Все покрытия всегда проверяются на смачиваемость, то есть на растекание припоя. Поверхность покрытия визуально проверяется на наличие окисления, обесцвечивания или загрязнений. Тест баланса смачивания выполняется согласно IPC-J-STD-003. 

Критерий приемки:

• для материалов без свинца (SnAgCu) – полное смачивание за время ≤ 2 с при 245–260°C;

• на основе свинца (SnPb) – полное смачивание за время ≤ 1 с при 215–230°C.

Проводятся ускоренные испытания на старение – 8 ч, 93°C, 85% относительной влажности, имитация деградации при хранении. Моделирование цикла пайки/перепайки термоудар (3 цикла при 260°C): проверяется надежность нанесения и возможность перепайки устанавливаемых деталей. Выполняется химический анализ: рентгеновская флуоресценция, которая позволяет измерить толщину покрытия (например, ENIG: Au 0,05–0,1 мкм, Ni 3–6 мкм) и обнаружить загрязняющие покрытие элементы (S, Cl, С). Кроме того, осуществляется контроль над появлением интерметаллических соединений (например, Cu6Sn5, Ni3Sn4): их появление и рост увеличивает омическое сопротивление и повышает охрупчиваемость. Для контроля применяется комбинированное исследование с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС) поперечного сечения слоя нанесенного покрытия SEM/EDS. Выполняется также замер сопротивления методом «4-проводного измерения по Кельвину». Появление скачков значений в замерах омического сопротивления свидетельствует о присутствии интерметаллитов. Для контроля толщины иммерсионных покрытий применяется рентгенофлуоресцентное измерение (XRF), которое позволяет измерить толщины покрытий Au, Ni, Sn, Ag с точностью ±0,01 мкм (табл. 8).

Таблица 8. Основные параметры и стандарты для проведения контроля

Нанесение шелкографии.

Слой шелкографии (маркировки) не имеет функционального значения при работе печатного узла. Однако текстовая маркировка и позиционное обозначение элементов очень полезно при регулировке, тестировании и ремонте изделия. Обычно этот слой наносится методом трафаретной или прямой печати специализированными чернилами или паяльной маской. Выбор между трафаретной и прямой печатью (обычно струйной) с УФ-отверждением зависит от минимального воспроизводимого размера элемента топологического рисунка проекта платы (то есть наименьшего надежно печатаемого элемента). Например, трафаретная печать позволяет получить элементы размером 100–150 мкм, а для HDI-плат – размером 50–75 мкм. Прямая печать (УФ-струйная) позволяет получить элементы размером 30–50 мкм, а для HDI-плат можно получить рисунок размером 20 мкм (с помощью специализированных печатающих головок).

На рис. 7 показаны установки трафаретной печати слоя шелкографии.

Практические рекомендации для элементов, размеры которых:

• больше 100 мкм: трафаретная печать экономически целесообразна для серийного изготовления;

• меньше 50 мкм: прямая печать лучше, особенно для прототипов и небольших серий.

При изготовлении слоя шелкографии следующие показатели являются важными: плоскостность заготовки; вязкость чернил (используемого материала); энергия экспонирования; пропускная способность – размер (серийность) изготавливаемых изделий. 

Электрическое тестирование необходимо для контроля функциональности печатной платы. Оно позволяет выявить дефекты, связанные с производством, и обеспечить надежность изделия. При проведении этой операции выполняется исследование электрических параметров, к которым относятся наличие обрывов и коротких замыканий, сопротивление цепей проводников, электрическая прочность изоляции. Для плат, работающих в диапазоне высоких частот, выполняется замер импеданса одиночных и дифференциальных линий методом рефлектометрии во временной области (TDR). Для проведения сложных исследований применяется специализированное оборудование, и изготавливаются испытательные стенды. Минимальное пороговое сопротивление цепи, которое можно надежно контролировать в цепи, зависит от нескольких факторов, включая метод измерения, помехоустойчивость, конструкцию схемы и чувствительность приборов. Теоретический предел: высокоточные приборы способны обнаруживать изменения менее миллиома (0,001 Ом). Общее тестирование печатных плат на установках «летающих зондов» и «ложе гвоздей» проводится на порогах 5 Ом (100 мОм). Для контроля импеданса выполняется замер сопротивления постоянному току (DCR), в процессе которого измеряется чистое сопротивление, и замер сопротивления переменного тока (|Z|), для чего измеряется сопротивление и реактивное сопротивление. Контроль используется в отношении высокочастотных цепей и может применяться для обнаружения деградации материалов (например, с помощью спектроскопии импеданса для емкостных изменений). Точность измерения импеданса составляет ±5 Ом для значений цепи ниже 50 Ом и ±10% – для значений выше 50 Ом. Имеется также возможность проведения более точных измерений при дополнительной оснастке и приборах. На заготовках также осуществляются замеры по «структуре Кельвина», «тест купона последовательных цепей», которые позволяют оценить качество выполнения отдельных технологических операций и применяемого материала.

На рис. 8 показан участок электрического тестирования заготовок.

Механическая обработка.

На данном этапе из технологической заготовки получают отдельные платы (панели) изготавливается геометрический контур согласно исходному проекту, получают неметаллизированные отверстия или пазы. Данные операции выполняются путем фрезерования, сверления, скрайбирования или лазерной резки (для тонких материалов). Причем операции сверловки и фрезерования могут быть выполнены на заданную глубину. Здесь стоит отметить, что при подготовке исходного проекта необходимо предусматривать правила и рекомендации стандартов IPC-2221 (стандарт для проектирования печатных плат), IPC-6012 (стандарт качества жестких печатных плат), IPC-6013 (стандарт качества по гибким печатным платам). Рассмотрим некоторые вопросы подробнее. Скрайбирование должно быть выполнено на глубину от 1/3 до 1/2 толщины печатной платы (например составлять минимум 0,5 мм для платы толщиной 1,6 мм). Для этого используют установки с лазерными ограничителями глубины: точность ±0,05 мм с замкнутым контуром управления осью Z или механическое скрайбирование с регулируемой системой давления с установленными глубиномерами точность составляет ±0,1 мм. Для сверления и фрезерования на глубину применяются специальные станки ЧПУ с управляемыми по глубине шпинделями точность подачи обычно составляет ±0,025 мм. При выборе диаметра инструмента (фрезы) для обработки габаритов и получения пазов необходимо руководствоваться толщиной печатной платы и их соотношением.

На рис. 9 показан участок механической обработки заготовок (сверление и фрезерование).

В табл. 9 приведены сводные значения по выбору диаметра фрезы. Ограничения: малый диаметр инструмента в толстых платах вызывает отклонение от предусмотренного пути инструмента и может вызвать его физическую поломку. Кроме того, необходимо предусмотреть отступы от токопроводящих элементов печатного монтажа до края печатной платы следующим образом: для внешних слоев минимально их величина должна составляет 0,2 мм, а для внутренних слоев – 0,15 мм. Для сверхточных операций при механической обработке применяются некоторые технологические и конструктивные приемы с помощью станков сверления, фрезерования и скрайбирования с обратной связью глубины «захода» инструмента в режиме реального времени (например, с использованием пьезоэлектрических датчиков). Для плат толщиной более 3 мм предварительно просверливаются (фрезеруются) пилотные отверстия, чтобы уменьшить прогиб; для сложно-контурных элементов добавляются «зоны разрушения», или буферные области. Применяются также специализированные инструменты, например 2-канавочные твердосплавные концевые фрезы для «чистых» краев.

Финишный контроль качества.

На каждую изготовленную партию печатных плат (одного проекта) составляется протокол выходного контроля качества (Final Inspection Report), в котором фиксируются фактические результаты итогового тестирования качества (исключая результаты межоперационного контроля). В этот документ вносятся наименование проекта платы, количество изготовленных плат, сведения об использованных на производстве основных конструкционных материалах (тип и марка стеклотекстолитов и препрегов, защитная паяльная маска и шелкография, вид финишного покрытия и их основные характеристики). Помимо контроля элементов печатного монтажа на АОИ обязательно выборочно осуществляется замер и фиксация отдельных элементов топологии на электронном цифровом микроскопе: величина проводник/зазор, диаметр отверстий, габаритные размеры платы. 

Затем с печатной платы изготавливается шлиф (вырез купона), по которому контролируется толщина металлизации отверстий (обязательный замер выполняется в шести точках), толщина меди на внешнем слое (в отдельных случаях возможен замер на внутренних слоях, например при изготовлении платы с послойным наращиванием), толщина покрытия паяльной маски. Осуществляется визуальный контроль на отсутствие дефектов: пустоты и трещины в покрытии, заусенцы и выровы, отслоение и обрывы между слоями диэлектрика и меди, отслоение и нарушение металлизации между стенкой отверстия внешними и внутренними слоями. На отдельной плате проверяется «смачиваемость» контактных площадок припоем. Кроме того, выполняется термический удар платы (290℃ ±5℃ в течение 10 с), после которого плату проверяют визуально на появление трещин, отслаиваний и деградацию материалов и покрытий. Вся партия печатных плат обязательно проходит электрическое тестирование. 

Полученные результаты подтверждаются подписью сотрудника отдела качества. Вместе с протоколом и партией изготовленных плат заказчику предоставляется тест купон шлифа металлизированного отверстия, паспорт на материал, из которого произведена печатная плата. Возможно изготовление дополнительной печатной платы для разрушающего входного контроля качества.

Упаковка.

Печатные платы заключаются в вакуумную упаковку для защиты от влаги, воздуха и других внешних воздействий при транспортировке и хранении. Упакованные таким образом платы плотно складываются в картонные коробки с дополнительными мягкими прокладками (пенопласт, воздушно-пузырьковая пленка или специально изготовленные упаковочные вкладыши). 

Выводы

Как и предполагалось, базовые технологии и материалы идентичны при изготовлении печатных плат на производствах разных стран. Конечно, в настоящее время в России отсутствует доступ к оборудованию, технологиям и материалам, которые поступали из «недружественных» стран и были бы нам доступны, но очевидно, что это обстоятельство не остановило производство. Более того, появился стимул для развития собственных идей и направлений, которые наблюдаются в настоящее время. В этой статье мы не затрагивали вопросы, связанные со стоимостью/(сложностью) и сроками производства. Для их решения придется немало потрудиться, и многое зависит как и от нас, так же и от взгляда и поддержки государственных структур и ведомств. 

Автор выражает огромную благодарность руководству компании ООО «Группа Меттатрон» за организацию встречи и возможность пообщаться с Главным технологом завода-изготовителя печатных плат (Китай), на котором было организовано контрактное производство. 

Автор приносит извинения за возможные недочеты, связанные с переводом материалов на русский язык.