Печатные платы. Лекции.. 4 Конструирование элементов 1 и 2 уровня иерархии
 Скачать 0.81 Mb.
|
4.3. Получение рисунка печатной платыОсновными методами получения защитного рисунка печатной платы являются фотопечать и трафаретная печать. Фотопечать. Фотопечать представляет собой способ нанесения изображения рисунка печатных проводников на материал основания, покрытый светочувствительным слоем (фоторезистом), экспонируемым через фотошаблон с требуемым изображением. Фотошаблон рисунка печатной платы — это негативное или позитивное изображение требуемого рисунка в масштабе 1:1 на стеклянной фотопластинке или пленочном материале, полученное путем фотографирования с оригиналов рисунка печатной платы. Оригинал рисунка печатной платы представляет собой изображение технологического слоя платы, выполненное в увеличенном масштабе, обычно в позитивном изображении. При этом рисунок оригинала соответствует рисунку чертежа платы по степени почернения (проводники и контактные площадки черные, а пробельные места белые). Если на плате имеются экраны, занимающие большую площадь, то оригиналы рисунка печатной платы выполняют в негативном изображении (рисунок оригинала противоположен рисунку печатной платы по степени почернения). Для получения оригиналов рисунка печатной платы применяют вычерчивание, наклеивание липкой ленты, резание по эмали и другие способы. Вычерчивание оригинала печатной платы производят на специальной чертежной бумаге с помощью сдвоенных рейсфедеров, плакатных перьев, лекал и др. Для ускорения процесса вычерчивания рекомендуется на бумагу предварительно нанести типографским способом координатную сетку. Вследствие высокой трудоемкости и низкой точности этот способ используется редко. Наклеивание липкой ленты значительно сокращает трудоемкость изготовления оригинала печатной платы. При этом на бумагу с координатной сеткой, наклеенную на недеформирующуюся основу (стекло, алюминий и др.), наносят центры монтажных отверстий и контактные площадки, а проводники получают приклеиванием непрозрачной липкой ленты. Резание по эмали применяют для плат, требующих высокой точности выполнения проводников. Толщина слоя эмали, наносимого на заготовки из стекла, составляет 30...50 мкм. Эмаль наносят краскораспылителем в несколько слоев. После сушки заготовку устанавливают на стол координатографа. Головка, в которой закреплен резец, может перемещаться по координатным осям и прорезать контуры элементов печатной схемы с точностью ±0,05 мм. Надрезанную эмаль удаляют пинцетом. Если оригинал изготовляют в позитивном изображении, то ее удаляют с пробельных мест. Высокая точность изготовления оригинала печатной платы позволяет применять сравнительно небольшое увеличение при его изготовлении и получать фотошаблоны более высокой точности (в 4...10 раз), чем при ручном способе. Для определения размеров оригинала печатной платы при фотографировании и для совмещения фотошаблонов на технологическом поле оригинала печатной платы выполняют кресты и другие реперные знаки. Кресты, выполненные по углам (рис. 4.8, а), предназначены для проверки точности соблюдения заданного масштаба уменьшения при фотографировании. Два из них, расположенные по диагонали или по большой стороне, используют в дальнейшем для пробивки базовых отверстий, а пятый крест — для ориентирования. При изготовлении печатных плат, не требующих высокой точности, допускается использование при фотографировании в качестве базового размер между наиболее удаленными контактными площадками (размер Л).  Рис. 4.4. Пример выполнения фотооригинала: а — односторонней печатной платы; б — тест-платы; с — диаметр контактной площадки под отверстие минимального диаметра; d — диаметр контактной площадки под отверстие максимального размера На технологическом поле платы могут предусматриваться следующие элементы для контроля параметров печатной платы (рис. 4.8, б): 1 — для определения числа перепаек; 2 — для контроля прочности сцепления фольги с диэлектриком; 3—для контроля сопротивления изоляции между отверстиями; 4 — для контроля сопротивления изоляции между проводниками. Недостатком рассмотренных методов получения фотошаблонов является необходимость масштабного фотографирования. Этот недостаток устраняется при получении требуемой схемы в масштабе 1 :1 непосредственно на фотопластинке сканирующим световым лучом с помощью координатографа. Последний позволяет наносить изображения прямолинейных линий шириной 0,25...4 мм и контактные площадки различной конфигурации. Рисунок печатного монтажа кодируется и переносится на перфоленту, которая помещается в, считывающее устройство координатографа. Информация одного кадра вводится в блок управления, где преобразуется в импульсы для шаговых двигателей. Последние работают раздельно, перемещая координатный стол по оси х или у. При совместной работе двигателей стол перемещается под углом 45°. Точность установки координат ±25 мкм. Форму и размеры контактных площадок определяют диафрагмы. Сменные диски содержат от 16 до 32 различных по конфигурации диафрагм. Требуемые размеры и яркость светового луча обеспечивается оптической головкой.  Рис. 4.9. Схема системы автоматизированного проектирования печатных плат Наиболее целесообразным является получение оригиналов фотошаблонов в системах автоматизированного проектирования печатных плат (рис. 4.9). Фоторезисты представляют собой тонкие пленки органических растворов, которые должны обладать свойствами после экспонирования полимеризоваться и переходить в нерастворимое состояние. Основные требования, предъявляемые к фоторезистам, — высокая разрешающая способность, светочувствительность, устойчивость к воздействию травителей и различных химических растворов, хорошая адгезия с поверхностью изделия. Под разрешающей способностью фоторезиста понимается число линий, которое можно нанести на один миллиметр поверхности платы с расстоянием между ними, равным их ширине. Разрешающая способность зависит от вида фоторезиста и толщины слоя. При тонких слоях она больше, чем при толстых. По способу образования рисунка фоторезисты делятся на негативные и позитивные (рис. 4.10). Участки негативного фоторезиста, находящиеся под прозрачными участками фотошаблона, под действием света получают свойство не растворяться при появлении. Участки фоторезиста, расположенные под непрозрачными местами фотошаблона, легко удаляют-г ся при проявлении в растворителе. Таким образом создается' рельеф, представляющий собой изображение светлых элементов фотошаблона (рис. 4.10, а).  Рис. 4.10. Образование защитного слоя фоторезиста: а — негативного: б — позитивного; 1 — фотошаблон; 2 — фоторезист; 3 — плата Негативные фоторезисты изготовляют на основе поливинилового спирта. Их широко применяют вследствие отсутствия токсичных составляющих, высокой разрешающей способности (до 50 линий/мм), простоте проявления и низкой стоимости. Недостатком этих фоторезистов является невозможность хранения более 3 ... 5 ч заготовок с нанесенным слоем, так как последний задубливается не только под действием света, но и в темноте. Кроме того, с понижением влажности и температуры окружающей среды уменьшается механическая прочность светочувствительного слоя и его адгезия с фольгой. Позитивный фоторезист под действием облучения изменяет свои свойства таким образом, что при обработке в проявителях растворяются его облученные участки, а необлученные (находящиеся под непрозрачными участками фотошаблона) остаются на поверхности платы (рис. 4.10, б). Для позитивных фоторезистов применяют материалы на основе диазосоединений, которые состоят из светочувствительной полимерной основы (новолачной смолы), растворителя и некоторых других компонентов. По адгезионной и разрешающей способности они превосходят негативные фоторезисты, но имеют более высокую стоимость и содержат токсичные растворители. Разрешающая способность позитивных фоторезистов составляет до 350 линий/мм. Достоинством позитивного фоторезиста является отсутствие дубления при хранении заготовок с нанесенным светочувствительным слоем. В технологическом процессе производства печатных плат применяют жидкие и сухие фоторезисты. Жидкие фоторезисты наносят погружением (окунанием), поливом с центрифугированием, накатыванием ребристым роликом й другими способами. Погружение (рис. 4.11, а) является самым простым способом, который дает возможность получить слой фоторезиста на двух сторонах платы. Сухие резисты получили большее распространение, так как они более технологичны и просты в использовании. Метод фотопечати обеспечивает высокую разрешающую способность, позволяющую получать проводники шириной и расстоянием между ними 0,1 мм.  Рис. 4.13. Нанесение защитного слоя через трафарет: а — принципиальная схема; б — схема автомата. Трафаретная печать (сеткографический метод). Метод основан на получении необходимого рисунка схемы на поверхности медной фольги путем продавливания защитной краски резиновым ракелем через сетчатый трафарет. Сетки для трафаретов изготовляют из капроновых или лавсановых нитей. Более высокая точность рисунка схемы получается при использовании сетки из фосфористой бронзы или нержавеющей стали диаметром 35...40 мкм. Размер ячейки трафарета составляет 60...80 мкм. Металлическая сетка выдерживает большое число оттисков и применяется в серийном производстве. Недостатками ее по сравнению с шелковой сеткой являются малая эластичность и склонность к окислению. Требуемый рисунок на трафарете получается с помощью фоторезистов. Открытые участки сетки трафарета соответствуют рисунку печатной платы. Краска для защитного слоя должна обладать высокой кис-лотостойкостью, хорошей адгезией с платой, минимальным временем сушки и сметанооб-разной консистенцией. Жидкая краска дает расплывчатое изображение, а густая трудно продавливается через трафарет. Печатные свойства краски и их адгезионная способность зависят от связующего вещества, в качестве-которого используют различные смолы ами. В состав краски входят также растворители (керосиновая фракция, уайт-спирит и др.), разбавитель и компоненты, улучшающие вязкость, пластичность, растекаемость и адгезионные свойства краски. Наиболее широко используют краску СТ3.12—51 и гальваностойкую краску СТ3.13. При нанесении краски вручную .(рис. 4.13, а) плату 4 устанавливают по базовым технологическим отверстиям и наносят некоторое количество краски, обеспечивающее образование валика 2 вдоль всей длины шпателя 1 при его движении по трафарету 3. Волна краски перед шпателем является своеобразным резервуаром, обеспечивающим с некоторым избытком весь процесс печати. Отпечатанную плату помещают в сушилку. Сушку осуществляют до тех пор, пока плату можно будет взять в руки без опасения повредить оттиск. В случае двусторонней платы таким же образом наносят схему с другой стороны платы. Машинная печать предусматривает осуществление тех же операций, что и ручная. Движение шпателя, подача резиста и подъем трафарета автоматизированы. Платы подаются на рабочую позицию (рис. 4.13, б) из магазина 1 столом 2, снабженным вакуумным присосом. Вакуумный насос 11 включается переключателем 10. Движением стола управляет кулачок 8, сидящий на распределительном валу 9. Сетчатый трафарет 5, закрепленный в рамке, может перемещаться в вертикальном направлении от кулачка 7. Рабочий ход ракеля 3 осуществляется при движении стола от кулачка 6. В конце рабочего хода ракель поворачивается вокруг оси 4, вакуум снимается и плата с нанесенным рисунком направляется на сушку. Получение рисунка схемы методом трафаретной печати на 60% дешевле, чем фотохимическим. Однако метод трафаретной печати имеет малую разрешающую способность, которая определяется размером ячеек в сетке (обычно 0,08 мм). Так как краска растекается, то разрешающая способность уменьшается до 0,10...0,15 мм. Трафаретную печать используют в том случае, если ширина проводников и расстояние между ними более 0,3 мм, точность переноса изображений не выше 0,1 мм. Типичные дефекты трафаретной' печати — поры и проколы в слое нанесенного резиста, неровные края проводников, неравномерная толщина. Основными причинами дефектов являются запыленность помещения, несоответствующая вязкость резиста, износ трафарета, царапины на трафарете, возникающие от твердых частиц, попадающих в краску. На свойство красок существенно влияют климатические условия на участке (температура, влажность). |