Технологичность материалов в производстве печатных плат и сборок


PDF версия

Несмотря на обоснованность выбора материала по его официальным техническим характеристикам, нельзя делать скоропалительных выводов о его применимости на конкретном производстве, где материал вполне может «не прижиться». Материал нужно аттестовать на совместимость с устоявшейся на производстве технологией.
И хотя механизмы выбора базируются на значительном объеме данных и знаниях из различных источников, все же они предназначены служить в качестве указаний общего характера для обычного использования, и в таком случае каждый вправе решать, можно ли доверяться рекомендациям, полученным для того или другого материала. Особенно это относится к требованиям долгосрочной надежности.
Во время аттестации нового материала важным этапом его адаптации является опробование материала в производстве для проверки на технологичность. В табл. 1 приведены  все необходимые шаги, которые необходимо при этом пройти.

 

Таблица 1. Пошаговый процесс изготовления печатных плат

Совместимость материала с технологическими этапами
изготовления внутренних слоев (IL)

Предварительная очистка

Наслоение резиста

Воздействие

Проявление, травление, нарезание лентами

Пробивка баз

Автоматизированный оптический контроль внутреннего слоя

Ремонт внутреннего слоя и внешнего слоя

Черный слой оксида меди/альтернативы оксида

Совместимость с технологическими этапами изготовления многослойной платы

Сушка внутренних слоев

Набор пакета слоев

Цикл прессования

Обрезка контура

Проверка стабильности размеров

Совместимость с технологическими этапами от сверления до электролитического осаждения меди

Сверление

Чистка щеткой/пемзой/снятие заусениц

Очистка отверстий/плазменная очистка/прочее

Электролиз мели или аналогичный процесс

Совместимость с процессом нанесения паяльной маски

Совместимость с различными процессами металлизации

Электролитическое нанесение Ni/Au

Погружение в Sn

Погружение в Ag

Совместимость с технологическим процессом разводки

Первый технологический шаг — обработка внутреннего слоя. Именно на этом этапе изменение жесткости нового материала может иметь существенное влияние на технологичность его применения в горизонтальных производственных линиях. Это особенно важно для тонких диэлектриков. Изменение качества меди нового материала может повлиять на адгезию фоторезистов и воздействовать на скорость травления меди. При автоматизированном оптическом контроле (AOI) необходимо проверить контраст между медной схемой и диэлектриком и при необходимости скорректировать настройки AOI. В случае ремонта внутренних слоев, возможно, понадобится скорректировать настройки для процесса пайки, чтобы избежать теплового повреждения материала и обеспечить надежное межслойное соединение. Последний шаг обработки внутреннего слоя посвящен черной оксидации меди. На этом шаге необходимо проверить совместимость пленки оксида (уменьшенной/не уменьшенной или альтернативной) с базовым материалом, чтобы получить достаточную силу сцепления внутреннего слоя многослойной платы. Стабильность размеров внутренних слоев должна быть измерена после многократного цикла настройки масштабного коэффициента, учитывающего деформацию внутренних слоев нового материала.
Следующим шагом после прессования слоев и обрезки облоя является сверление. Изменение термомолекулярных свойств слоистого материала может повлиять на качество высверливаемых отверстий и потребовать корректировки скорости сверления или очистки стенок отверстий от наноса смолы. После металлизации необходимо проверить адгезию меди в металлизированных сквозных отверстиях, а также надежность контактов со всеми внутренними слоями.
Адгезия паяльной маски также может измениться при использования нового материала. Это особенно важно в сочетании с технологией нанесения финишного покрытия (например, Ni/ImmAu, ImmSn и ImmAg). Помимо негативного влияния на адгезию паяльной маски, эти процессы в сочетании с применением новых материалов также могут привести к неравномерности покрытия или к пропускам в таком покрытии. Одним из последних шагов в изготовлении, которые должны быть оценены на этапе внедрения нового материала, является обработка по контуру и механическая очистка. Здесь применение нового базового материала с измененной жесткостью или другим армированием может привести к необходимости технологической коррекции.
Надежность собранной печатной платы при ее использовании по назначению зависит не только от выбранного базового материала, но и от того, как этот материал вел себя при изготовлении печатных плат и печатных узлов. Различные типы базового материала могут требовать различные условия обработки для получения наилучших результатов в готовом изделии. После анализа этих вопросов, становится понятно, что существуют общие соображения, которые необходимо оценить в ходе процесса производства печатных плат и сборки. Также необходимо принимать во внимание конкретные требования для обеспечения долгосрочной надежности. Так что, хотя и невозможно дать точные, оптимальные условия обработки на всех операциях, но можно попытаться это сделать при переходе на новый материал.

Учет процесса производства печатных плат

Зачастую выбранный материал по своим характеристикам удовлетворяет самым изысканным требованиям. Но как только он поступает в производство, начинаются неурядицы, которых не было с прежним материалом. Так или иначе, приходится или отказываться от незнакомого материала или приспосабливать к нему производство.
Способность к поглощению влаги
Уровень поглощения влаги может оказывать серьезное негативное воздействие при групповой пайке. Это связано с повышением давления водяных паров при быстром групповом нагреве. На рис. 1 приводится график зависимости давления водяных паров от температуры. При температурах, используемых в бессвинцовых пайках, давление намного выше, что вызывает существенно большее напряжение внутри слоистого материала на границах разделов слоев внутри печатной платы, включая поверхности раздела смолы и стекла, смолы и оксида, смолы и меди, а также смолы со смолой. В результате могут потребоваться дополнительные процедуры сушки или прогревания для удаления влаги до начала обработки с использованием нагрева.

 

Рис. 1. Зависимость давления водяного пара от температуры


Конструкция печатной платы и коэффициент термического расширения

В то время как все конструкции печатных плат обладают некоторой несогласованностью по значениям КТР отдельных слоев, суммарная величина расширения и напряженность на границах раздела больше при групповом нагреве из-за более мощного воздействия высоких температур. Если даже коэффициенты КТР одинаковы для данной конструкции, переход на групповую пайку приводит к более высоким уровням напряжения внутри печатной платы. В некоторых случаях это увеличение напряжения может стать результатом дефектов, таких как расслоение, особенно если это увеличение происходит в сочетании с напряжением от испарения поглощенной влаги. Напряжения, вызванные температурным расширением, могут оказаться наиболее сильными в гибридных конструкциях, в которых используются два или несколько материалов разного типа, особенно если значения коэффициента КТР этих типов материалов сильно отличаются.
Однако если в конструкции печатной платы используется только один тип композиционного материала, необходимо уделить внимание выбору определенной марки стеклоткани и связующего. Это обусловлено различиями коэффициентов теплового расширения в направлениях X и Y у различных марок стеклоткани и смолы. Примыкающие друг к другу слои с разными значениями КТР приводят к увеличению уровня напряжения при повышенных температурах с возможностью потери адгезии и расслоения. В табл. 2 приводятся значения коэффициентов КТР по осям X и Y для некоторых распространенных марок стеклоткани, подчеркивающие возможные различия. Если это возможно, то выбирать марки стеклоткани следует с наименьшей разницей значений коэффициента КТР у примыкающих слоев.

Таблица 2. КТР вдоль оси X и Y для некоторых широко используемых типов стеклоткани

Марка стеклоткани

КТР по оси X, ppm/°C

КТР по оси Y, ppm/°C

106

22,2

22,2

1080

16,9

19,4

2113

15,3

15,9

2116

14,7

14,9

1652

14,1

14,1

7628

12,1

15,9

 

Оксидация и альтернативные, безоксидные процессы

При изготовлении печатных плат внутренняя поверхность фольги обычно проходит химическую обработку для улучшения адгезии между смолой и медной фольгой. Применяют два основных типа обработки. По первому использует окисление поверхности фольги для образования микрошероховатостей на ее поверхности, после чего обычно следует шаг восстановления для улучшения химической стойкости этого слоя в последующих стадиях обработки. Второй тип обработки является альтернативой оксиду, или процессом замены оксида. Эти процессы обычно используют химическое микротравление, при котором на поверхности также образуются шероховатости для обеспечения большей поверхности сцепления со смолой, и часто используются патентованные фирменные химические процессы, предназначенные для дальнейшего усиления адгезии и химической стойкости. Короче говоря, совместимость полимерной системы с оксидацией или ее альтернативным вариантом является важным фактором для любого использования.
Обычно для проверки этой связи используют оценку прочности на отдир между оксидированной поверхностью (или его альтернативой) и смолой вместе с тестом на определение времени до расслоения, подобного Т260 или T288. Образцы, приготовленные для этих испытаний, должны использовать репрезентативные объемы партий препрегов и образовывать слоистый материал с теми же циклами прессования, которые используются в реальном производстве печатных плат.
Способность поглощения влаги в этих процессах является следующим важным вопросом. Оксидация или альтернативные оксиду способы химической обработки могут быть бесполезными, если на них в течение продолжительного времени будут воздействовать высокие или даже умеренные температуры. Окисление этих поверхностей во время сушки или нагрева может привести к проблемам с адгезией или химической стойкости в последующих процессах обработки. С другой стороны, влага, поглощенная слоистыми материалами во время этих процессов, может воздействовать на качество формирования многослойного материала и на последующую работоспособность при термоциклировании. Короче говоря, очень важно высушивать, насколько это возможно, внутренние слои после описанных выше способов их обработки, одновременно оставаясь в рамках нормативов, которые используются для формирования оксида или альтернативной оксиду химии.

Состояние слоев перед прессованием диэлектрика

В дополнение к образованию оксида и альтернативной оксиду обработке, время промежуточного хранения между этими процессами и формированием многослойной конструкции в процессе изготовления многослойных плат также имеет большое значение. Это обусловлено не только возможностью окисления поверхностей слоев, но также возможностью поглощения влаги открытыми поверхностями смолы на внутренних слоях. Промежуточное время должно быть минимальным, а хранение внутренних слоев до их составления в многослойные структуры должны осуществляться в контролируемых по температуре и влажности помещениях, чтобы уменьшить объем поглощенной ими влаги. Обычные условия окружающей среды для хранения составляют 20 °C при максимальной относительной влажности 50 %, хотя рекомендуются более низкие уровни влажности.
Аналогичным образом, материалы препрега, используемые в конструкции многослойной печатной платы, должны храниться в условиях контролируемой влажности и температуры. Это обусловлено не только возможностью поглощения влаги, но также сроком хранения и тем, что на пригодность препрега может существенно повлиять температура и влажность при его хранении. Часто это может быть незаметной, но очень важной проблемой. И все же  условия хранения должны быть не хуже, чем при температуре 20 °C и 50 % относительной влажности для обычных материалов марки FR-4, хотя некоторые высококачественные материалы могут быть еще более чувствительными и ведут себя лучше, если их хранить при пониженной температуре или в более сухих помещениях. Некоторые высококачественные материалы могут даже требовать перед использованием вакуумную сушку. Это достаточно распространено, например, для полиимидных материалов. И, наконец,  хранение многослойных пакетов слоев до изготовления из них многослойных материалов должно выполняться в контролируемой среде с минимальным промежутком времени между их укладкой в стопку и изготовлением слоистого материала.

Прессование диэлектрика

Циклы изготовления многослойного материала должны быть рассчитаны на определенный используемый материал. Однако, существуют также некоторые следующие общие рекомендации, которые применимы к большинству материалов.
Использование вакуумного прессования. Развивая мысль о поглощении влаги, очень важно применять вакуум при прессовании до повышения температуры и отверждения смолы в препреге. Это позволяет удалить влагу из полости между слоями во время цикла прессования. Использование вакуума также может удалить другие летучие компоненты, такие как остатки растворителей в материале препрега. Часто этому не придается должного внимания, но на самом деле это может стать очень важным для обеспечения должного качества. Рекомендованное время применения вакуума может зависеть от фактического уровня влаги используемого материала, но чаще всего колеблется от 15 до 30 мин. Очень важно в это время не нагревать слишком сильно материалы. Кроме того, как упоминалось в предыдущем разделе, некоторые материалы, такие как полиимиды, часто подвергаются вакуумной сушке до укладки их в многослойные структуры.
Нагрев и приложение давления. Для конкретной полимерной системы важно понимать реологию смолы в препреге в зависимости от скорости повышения температуры. Это, наряду с правильным приложением давления, гарантирует адекватное заполнение внутренних слоев и хорошее смачивание смолой нитей стеклоткани. Полное смачивание внутренних слоев и хорошее растекание смолы по оксиду или по его аналогу на поверхности имеют большое значение для обеспечения надежности в последующих обработках нагревом.
Снятие напряжений и профиль давления. Важно иметь достаточное давление на пакет слоев, поскольку смола в препрегах нагревается и начинает растекаться во внутрислойные рисунки схемы. Требуемое давление может меняться с типом используемого материала и уровнем достигаемого вакуума во время этого процесса. Однако после того, как смола начинает отверждаться и перестает растекаться, понижение давления может способствовать уменьшению уровня напряжения в многослойной печатной плате, уменьшению коробления. Это может также улучшить надежность в последующих тепловых обработках. Уменьшение давления обычно доводят до 2,5 — 4,0 бар.
Скорость охлаждения. После того как материал был выдержан при определенной температуре в течение требуемого интервала времени, который зависит от типа используемого материала, скорость его охлаждения также будет иметь большое значение. Обычно небольшие скорости охлаждения минимизируют коробление и остаточное напряжение готовой продукции. Однако медленное охлаждение может неоправданно снизить производительность, так что необходимо найти разумный баланс. Во многих случаях медленное охлаждение, при котором температура проходит через Tg смолы, за которой следует несколько ускоренное охлаждение, является хорошим балансом качества и производительности.

Сверление отверстий

Многие материалы, предназначенные для совместимости с бессвинцовой пайкой, требуют оптимизации параметров сверления. Фенольные и другие высококачественные полимерные системы могут иметь повышенный модуль упругости и быть жестче, чем традиционные материалы FR-4, использующие для отверждения эпоксидной смолы dicy-отвердитель.
Подрезные перовые сверла обычно дают более высокое качество отверстий для этих материалов. Необходимо также проверить другие параметры процесса сверления, включая:
– максимальное число сверлений одним сверлом;
– скорость сверления (обороты и подача);
– усилие резания при сверлении (скорость подачи и вращения);
– скорости подачи при обратном ходе;
– повторные заточки сверел;
– высота пакета сверления;
– уровни отсоса стружки;
– типы материалов подкладок и накладок.

Очистка отверстий

Многие смолы, включая фенольные материалы, обладают повышенной химической стойкостью, по сравнению с традиционными материалами, использующими для отверждения dicy-отвердитель. При этом большая их часть может по-прежнему обрабатываться с применением традиционных процедур очистки отверстий. Возможно, нужна некоторая подстройка по времени и/или температуре при набухании в растворе и очистки отверстий перманганатом, а также следует проконсультироваться у поставщика химических реагентов при переходе на совместимые с бессвинцовой пайкой материалы. Указания по обработке, предоставляемые поставщиком диэлектриков, также обычно содержат рекомендации по очистке отверстий. Для некоторых современных материалов рекомендуется применять плазменную очистку отверстий.

Финишные покрытия

Если используется процесс облуживания с выравниванием поверхности припоя горячим воздухом (HASL), то при выборе базового материала следует учитывать повышенные температуры, требуемые для этой обработки. Обычные альтернативы для HASL, использование которых возросло в связи с проблемами бессвинцовых пайки, используют химические процессы металлизации, т.е. процессы без значительных тепловых нагрузок. Хотя при этом уменьшение тепловых нагрузок хорошо сказывается на устойчивости базовых материалов, но это приводит к необходимости глубокой сушки для удаления влаги из печатной платы до начала пайки. И это необходимо учитывать при принятии решения — целесообразно ли иметь дополнительный этап сушки до начала пайки.

Соображения по пайке печатных плат

Хотя полное описание параметров пайки выходит за рамки этой статьи, но несколько ключевых моментов относительно выбора материала и параметров пайки здесь все же необходимо привести. Во-первых, как уже отмечалось несколько раз, необходимо проверить условия хранения печатных плат до пайки. Поглощенная влага в печатной плате до пайки может оказать на нее существенное влияние, а в отдельных случаях привести к расслоению печатной платы. Поощряется хранение в среде с контролируемыми параметрами, но все равно следует рассматривать возможность использовать сушку печатных плат до пайки. Одно из преимуществ высушивания печатных плат до выполнения пайки состоит в том, что это поможет избежать любых негативных воздействий на покрытия поверхности, которые могли бы неблагоприятно повлиять на возможность выполнения пайки. В табл. 3 предлагаются некоторые общие рекомендации для этапов сушки перед выполнением сборки, основываясь на типах финишных покрытий.

 

Таблица 3. Рекомендации по сушке до выполнения пайки на основании типа финишных покрытий

Вид покрытия

Температура сушки, °C

Время, ч

Комментарии

Олово

125 

4

Повышенная температура может снизить качество пайки

Серебро

150

4

Серебро может потускнеть, но на качестве пайки это не скажется

Никель/золото

150

4

Никаких проблем с покрытием из никеля/золота не возникает при его продолжительном прогревании

Органическое покрытие

105

2

Продолжительное прогревание может отрицательно повлиять на пайку

Разработка профиля нагрева при пайке имеет значение не только для очевидных требований пайки компонентов, но также для гарантии того, что печатная плата не будет повреждена в результате тепловых воздействий. Эти требования часто дополняют друг друга. Термопрофили могут меняться с изменением толщины печатной платы, распределения меди, плотности размещения компонентов, а также с других факторов. Составление таких профилей для удовлетворения всех требований может быть весьма сложным процессом. Для оценки воздействия на печатную плату и базовый материал необходимо обратить внимание на скорость нагрева и время, в течение которого плата находится под воздействием пиковых температур, а также на скорость последующего охлаждения. Минимизация температурных градиентов поперек платы имеет большое значение для уменьшения напряжения, возникающего из-за температурного расширения. Неодинаковое распределение меди и различия в массе слоев в поперечном направлении основания печатной платы могут привести к появлению «горячих точек», в которых температура может приближаться к температуре разложения материала или появлению области напряжения из-за различий в температурном расширении. Эти горячие точки или большие градиенты температур могут сильно проявиться при попытках ускорить процесс за счет увеличения пиковых температур в термопрофиле. Эти горячие точки и температурные градиенты можно уменьшить, используя зоны профиля термостабилизации, в которых печатной плате предоставляется возможность выровнять  температуры по объему перед нагревом до пиковой температуры.
Так же должны контролироваться скорости охлаждения до комнатной температуры. Слишком быстрое охлаждение может привести к появлению значительных температурных градиентов и спровоцировать появление напряжений, вызванных температурным расширением, что, в свою очередь, может привести к появлению пузырей, расслоению или образованию кратеров на контактных площадках, которые возникают вследствие появления трещин в базовом материале печатной платы и передаются на нижнюю часть медной контактной площадки печатной платы. Следует более строго проверять и контролировать процедуры перехода на бессвинцовые технологии. Контроль температуры при таком переходе и время воздействия этих температур на плату имеют большое значение. Некоторые приемы задействуют локальный нагрев определенных областей печатной платы, обостряя проблему температурных градиентов.
По всем этим причинам производителям настоятельно рекомендуется выполнить исследования для оценки совместимости базовых материалов, процесса производства плат и процесса сборки печатных узлов. Настоятельно рекомендуются квалификационные испытания опытного образца при переходе определенной конструкции печатной платы на бессвинцовую технологию. Удачная конструкция печатной платы не обязательно означает, что и другие конструкции могут с успехом использовать тот же материал или тот же процесс производства.
Таким образом, процессы групповой пайки значительно требовательнее к используемым печатным платам и базовому материалу и требуют большой инженерной работы для подтверждения совместимости выбранных материалов и  процессов производства печатных плат в сочетании с требованиями долгосрочной надежности.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *