ПОКРЫТИЯ И МАСКИ ДЛЯ ПП

Для защитных и технологических целей на поверхности ПП создаются различные покрытия и маски. Из всего разнообразия покрытий и масок рассмотрим две большие группы: покрытия для сохранения паяемости медных печатных проводников и защитные маски для диэлектрика ПП.

Введение в конструкцию ПП паяльной маски является необходимым условием, так как обычная стеклоэпоксидная основа печатных плат не обладает достаточной теплостойкостью при температурах пайки (220...240 ^оС), и без паяльной маски за время, необходимое для проведения пайки (0,5...2,5 мин) может происходить поверхностная деструкция материала диэлектрика. По методу формирования рисунка паяльные маски делятся на два типа:

· паяльные маски, рисунок которых формируется методом трафаретной печати. Как правило, это составы на эпоксидной основе, отверждаемые термически или ультрафиолетовым (УФ) излучением. При относительной дешевизне основным их недостатком является низкая разрешающая способность и необходимость использования сеткографического трафарета;

· паяльные маски, рисунок которых формируется фотолитографическим методом (фоторезистивные паяльные маски). Такой способ позволяет формировать рисунок маски любой сложности. Фоторезистивные паяльные маски в последнее время получили наибольшее распространение. Для этих целей применяются сухие и жидкие фоторезистивные материалы.

Размеры окон в маске на платах 3-го класса и более высоких классов точности должны превышать размеры контактных площадок на небольшую величину – от 0,05 до 0,1 мм. В терминах P-CAD 2001 эта величина называется Solder Mask Swell – расширение паяльной маски и задается при определении стиля контактных площадок и переходных отверстий (в местах расположения любых отверстий диаметром более 0,6 мм в маске необходимо выполнять окна, чтобы пленка маски не повисала над отверстием).

Медные печатные проводники активно окисляются на воздухе, поэтому для меди применяются различные покрытия. Для получения качественных паяных соединений металлизация на плате должна быть подготовлена соответствующим образом. Для нанесения паяемого покрытия на медную поверхность проводников печатных плат используют много способов. Два наиболее популярных из них – двойная печать фоторезиста и лужение медных проводников с выравниванием припоя горячим воздухом (hot air level – HAL, HASL). В то время как оба метода дают одинаковый конечный результат: медные проводники покрыты паяльной маской, а все паяемые поверхности – припоем, эти методы значительно отличаются своей реализацией.

При двойной печати первоначальным нанесением фоторезиста определяется рисунок электрической схемы. Впоследствии по рисунку в фоторезисте вначале осаждается медь, и затем сплав SnPb. После удаления фоторезиста получаются защищенные оловом/свинцом цепи и контактные площадки. Далее наносится второй слой фоторезиста, который защищает сплав SnPb на контактных площадках (где в дальнейшем будет производится пайка), на остальных проводниках этот сплав удаляется, чтобы создать чистую медную схему. Затем второй слой фоторезиста удаляется, оставляя чистые медные цепи и покрытые сплавом SnPb контактные площадки. Далее наносится паяльная маска, а затем сплав SnPb расплавляется (оплавляется), чтобы создать хорошо паяемые контактные площадки.

При гальваническом осаждении сплав SnPb имеет очень пористую поверхность, он склонен к захвату загрязнений, в том числе остатков фоторезиста. К тому же растворы, используемые при удалении резиста, химически реагируют с оловом и в результате изменяют состав сплава. Все эти показатели ведут к низкому выходу годных и ухудшению надежности.

Процесс изготовления ПП HASL-методом – нанесение расплавленного припоя на чистые медные контактные площадки плат, незащищенные паяльной маской, аналогичен обычному позитивному методу. Однако после травления меди с пробельных мест удаляется со всех металлизированных поверхностей также сплав SnPb и далее паяльная маска наносится на чистые медные проводники. Затем вся плата окунается в расплавленный SnPb (63:37)-припой, который наносится на все поверхности, свободные от паяльной маски (т. е. на контактные площадки). При тентинг-методе после травления рисунка операция снятия металлорезиста отсутствует. Поэтому одно из преимуществ лужения с выравниванием припоя – меньшее число шагов обработки. Другое преимущество – припой не подвергается никакой дополнительной химической обработке, которая могла бы загрязнить поверхность или изменить состав сплава. Контактные площадки после окончания этого процесса имеют отличную способность к смачиванию расплавленным припоем.

Применяются и другие варианты покрытий, обеспечивающие хорошую паяемость:

· иммерсионная, или химическая металлизация золотом, серебром, палладием (толщина слоя 0,05...0,2 мкм). Применяется в ПП для аппаратуры ответственного назначения. Иммерсионный слой металла имеет способность самоограничения при росте и обычно очень тонкий. Ванну иммерсионной металлизации изготовить обычно значительно проще, чем ванну химической металлизации;

· органические покрытия, связанные с обработкой меди(составы на основе бензимидазола или имидазола, триазол).

Если на плате имеются контакты электрического соединителя непосредственного контактирования, то на них должно наноситься покрытие, дающее стабильное низкое переходное сопротивление и обладающее высокой износоустойчивостью. В таких случаях применяется многослойное покрытие, на верхний слой которого наносится золото или палладий на подслой никеля. Общая толщина слоя составляет от 0,5 до 2 мкм. Хотя никель расширяет долговечность золота, его первичная функция – сформировать барьер между золотом и медью. Это предохраняет медь от миграции через пористый золотой слой на поверхность.

С точки зрения предпочтений, чаще всего в печатных платах для поверхностного монтажа применяют следующие покрытия:

· выравнивание припоя горячим воздухом (HAL, HASL);

· оплавление гальванически нанесенного сплава SnPb;

· покрытие золотом с подслоем никеля;

· органические покрытия;

· покрытие лаковым флюсом.

Если сравнить лужение с выравниванием припоя горячим воздухом, иммерсионное золото и процессы органического покрытия, то очевидно, что органическое покрытие имеет самый простой процесс.

ФОТОШАБЛОНЫ ДЛЯ ПП

В процессе фотолитографии изображение рисунка проводников ПП, разработанное на стадии создания конструкторской документации на изделие, должно быть перенесено на защитную маску фото- или металлорезиста в зависимости от типа применяемого процесса для создания ПП. Для переноса изображения предназначены фотошаблоны (ФШ), представляющие собой негативное или позитивное отображение конфигурации печатных проводников.

Высокие классы точности ПП, при которых зазоры и ширина проводников ПП составляют 0,05...0,1 мм, требуют высокой точности выполнения всех операций при изготовлении ПП. Особое место в обеспечении требуемой точности занимают фотошаблоны.

ФШ представляет собой слоистую структуру [7], включающую:

· базовый полимерный слой (носитель ФШ). Выполнен из полиэстера (ПЭ) или полиэтилена тетрафталата (PTF). Толщина слоя 180 мкм;

· слой фоточувствительной эмульсии (соединения серебра). Толщина слоя 5 мкм;

· защитный слой на основе желатина. Толщина не превышает 5 мкм. Защищает фоточувствительный слой от повреждений.

Разные свойства этих слоев приводят к изменениям размеров ФШ при воздействии следующих факторов:

· изменения относительной влажности;

· изменения температуры;

· воздействия совокупности факторов во время технологических процессов;

· старения ФШ.

Для современных материалов, применяемых при изготовлении ФШ, старение при правильных условиях хранения ФШ приводит к незначительным изменениям размеров: ПЭ показывает ± 0,01 % изменений размеров за период до пяти лет. Изменения зависят от режимов хранения: при повышенной влажности возможно легкое коробление ФШ (разбухание), при повышенной температуре возможна легкая усадка порядка 0,02 %.

Материал основы ФШ поглощает и испаряет влагу из окружающей среды. Поглощение приводит к расширению ФШ. Процесс протекает медленно: за 1 ч приращение толщины составляет порядка 25 мкм, достигая 99 %-ного равновесия с окружающей средой. Влажностный коэффициент для ПЭ составляет 0,8×10^-4 % на 1 % изменения относительной влажности. От толщины пленки коэффициент не зависит. Защитный и фотоэмульсионный слои также поглощают и испаряют влагу. Это вызывает механические напряжения в тонких приповерхностных слоях ФШ. В желатине защитного слоя процесс поглощения влаги идет гораздо быстрее: равновесие с окружающей средой достигается за 2 – 3 мин. Чтобы избежать влияния защитного слоя на изменение размеров ФШ, иногда последний выпускают без защитного слоя. Это повышает стабильность его размеров, однако резко ограничивает срок службы из-за механических повреждений фотослоя (царапины и т. п.).

С увеличением температуры размеры ФШ увеличиваются, скорость реакции достаточно высока: равновесие достигается за 2 – 3 мин. ТКЛР для ПЭ составляет 0,0018 %/°С. Процесс обратимый. Однако при нагреве до 60 °С ПЭ начинает непрерывно изменяться, компенсируя производственные напряжения. Амплитуда этих изменений составляет ±0,01 % и трудно поддается управлению.

Изменение размеров ФШ происходит также и в ходе самого технологического процесса: из-за удаления из основной и защитной пленок части химических составляющих уменьшается влажностный коэффициент; из светочувствительного слоя в проявитель удаляется неэкспонированное серебро. Амплитуда этих воздействий составляет примерно ±0,02 % для 0,18 мм-пленки. Влияние процессуального изменения размеров ФШ аналогично влиянию сушки. Использованная пленка имеет меньший влажностный коэффициент, чем новая. Можно было бы рекомендовать предварительную сушку ФШ перед применением, однако ее условия могут сильно различаться для разных типов полимеров.

Процесс производства полимеров для основы ФШ не является идеальным, поэтому для некоторых пленок может быть характерным неизометрическое изменение размеров в направлении осей X и Y в плоскости шаблона. Различие свойств может составлять до 10 %, как это указывается в описаниях ФШ фирмы «Kodak Company».