Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3

Особенности изготовления МПП. Для изготовления МПП разработано много вариантов конструктивно-технологического исполнения, номенклатура их постоянно обновляется и совершенствуется. Практический опыт изготовления МПП показывает, что наиболее технологичным является вариант МПП с металлизацией сквозных отверстий. Он позволяет получать до 20 слоев МПП, характеризуется высокой плотностью, хорошим качеством межслойных соединений, относительной простотой и экономичностью. При этом методе используются: для наружных слоев односторонний фольгированный диэлектрик, для внутренних одно- или двусторонний фольгированный диэлектрик, а в качестве межслойной изоляции стеклоткань. Из этих материалов изготавливают заготовки, в которых пробивают базовые отверстия для совмещения слоев и производят очистку поверхностей. На заготовках внутренних слоев рисунок получают с двух сторон негативным фотохимическим методом, выполняя при необходимости контактные переходы химико-гальванической металлизацией. Рисунок наружных слоев получают комбинированным позитивным фотохимическим методом. Изготовленные слои совмещают друг с другом по базовым отверстиям, прокладывая между ними межслойную изоляцию, и спрессовывают в монолитную структуру.

Внутренние слои МПП, выполненные на тонком одностороннем фольгированном диэлектрике, после стравливания медного покрытия склонны к линейной деформации. Поэтому базовые отверстия на технологическом поле заготовок пробивают после операции травления меди, ориентируясь на специальные реперные знаки.

Процесс прессования является одной из важнейших операций изготовления МПП. Монолитность структуры и точность ее элементов обеспечиваются качеством прокладочной стеклоткани, тщательностью подготовки слоев, совершенством технологической оснастки и строгим поддержанием режимов прессования.

Прокладочная стеклоткань, которая поступает на сборку пакетов МПП, должна содержать 45-52% термореактивной эпоксидной смолы с отвердителем, находящейся в состоянии неполной полимеризации. Процентное содержание смолы, растворителя и летучей фракции проверяется при использовании новой партии и через каждые 5 дней применения. При поступлении нового материала проводятся опытные запрессовки на технологических платах и контроль их качества при термических испытаниях (нагрев до 120 °С и выдержка в течение 1 ч, термоудар при температуре 260 °С в течение 10 с).

Прессование МПП проводят в специальной пресс-форме с плоско-параллельными плитами, обеспечивающей точное совмещение и фиксацию слоев с помощью направляющих штырей по углам и через каждые 100-150 мм по периметру плиты. Температурный режим прессования платы предусматривает нагрев пакета до температуры 150-180 °С, удаление летучих компонентов смолы по мере расплавления и смачивания слоев пакета, полимеризацию и затвердевание смолы, охлаждение пакета до 30-40 °С. При нагреве пакета для обеспечения теплопередачи необходимо предварительное его сжатие и плотное прилегание пресс-формы к плитам пресса. Для этого устанавливают первоначальное давление (100-300 кПа), которое препятствует удалению летучих компонентов смолы из прокладочной стеклоткани. Высокое давление прессования должно быть создано до начала затвердевания смолы в момент желатинизации, когда смола перестает течь и вязкость ее нарастает. Приложение высокого давления (1-4 МПа) до момента желатинизации приводит к выдавливанию большого количества жидкой смолы и ухудшению сцепления слоев. Приложение давления после момента желатинизации, перешедшей в твердое состояние, приводит к растрескиванию и образованию пустот, ухудшающих связь между слоями. Для объективного контроля момента желатинизации измеряют объемное сопротивление изоляции склеивающих прокладок. Под воздействием температуры по мере разжижения связывающего вещества объемное сопротивление падает, достигая минимального значения в момент начала желатинизации, а затем по мере отверждения связывающего вещества увеличивается. Регистрация объемного сопротивления проводится датчиком, который изготавливается на технологических полях заготовок из фольги методом травления. При сборке пакета МПП слои располагают таким образом, чтобы электроды были обращены друг к другу, а между ними помещалась склеивающая прокладка.

Для прессования МПП применяют гидравлические прессы, оборудованные системами нагрева и охлаждения плит и устройствами для регулирования технологических режимов. Прессы обеспечивают плоскостность и параллельность плит в пределах 0,1 мм, точность поддержания температуры на их плоскости ±3 °С, давления ±3°/о. Для повышения производительности прессования промышленностью выпускаются автоматические линии. Процессы изготовления МПП подробно рассмотрены в специальной литературе.

Покрытия и маски для наружных слоев ПП выполняются для защиты медных печатные проводников от окисления, для формирования паяльных масок, для создания износоустойчивых соединителей непосредственного контактирования.

Защитное покрытие печатных проводников серебром в настоящее время не применяется. У серебра обнаружено неприятной свойство: в условиях повышенной влажности под действием электрического поля происходит рост кристаллов-дендритов по поверхности и в глубину изоляционного основания печатной платы, что приводит к уменьшению электрической прочности изоляции.

Введение в конструкцию ПП паяльной маски является необходимым условием, т.к. 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, может происходить поверхностная деструкция материала диэлектрика. По методу формирования рисунка паяльные маски делятся на два типа:

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

2) Паяльные маски, рисунок которых формируется фотолитографическим методом (фоторезистивные маски). Способ позволяет формировать маски любой сложности и в последнее время получил наибольшее распространение. Для этих целей применяются сухие и жидкие фоторезистивные материалы. Размеры окон в маске на платах 3-го и более высоких классов точности должны превышать размеры контактных площадок на величину от 0,05 до 0,1 мм.

Припой на контактные площадки наносится либо электроосаждением (с последующим оплавлением для снятия пористости осажденного металла) либо непосредственно окунанием платы, защищенной маской, в расплавленный припой. Применяются и другие варианты покрытий, обеспечивающие хорошую паяемость:

а) Иммерсионная или химическая металлизация золотом, серебром, палладием. Применяется в ПП для аппаратуры ответственного назначения. Иммерсионный слой металла имеет способность самоограничения при росте и обычно очень тонкий (0,05-0,2 мкм).

б) Органические покрытия, связанные с обработкой меди (составы на основе бензимидазола или имидазола).

Если на плате имеются контакты электрического соединителя непосредственного контактирования, на эти контакты должно наноситься покрытие, дающее стабильное низкое переходное сопротивление и обладающее высокой износоустойчивостью. В таких случаях применяется многослойное покрытие, в верхнем слое которого наносится золото или палладий. Толщина слоя от 0,5 до 2 мкм. Для подслоя золота обычно используют никель, что предохраняет медь от миграции через пористый золотой слой на поверхность.

Контроль и испытания плат. Технологический процесс изготовления плат, особенно многослойных, состоит из большого числа операций, при выполнении которых возникают неучтенные возмущения, приводящие к отклонениям выходных параметров от номинальных. Контроль и испытание ПП предназначены для определения качества изготовленных изделий, под которым понимают степень их соответствия требованиям чертежа, технических условий и стандартов. На повышение качества влияют: 1) входной контроль исходных материалов; 2) соблюдение режимов и последовательности операций процесса производства; 3) использование автоматизированного технологического оборудования со средствами активного контроля; 4) организация пооперационного и выходного контроля; 5) проведение испытаний.

Входному контролю подвергается каждая партия поступающего на производство диэлектрика, фоторезиста, трафаретной печатной краски. Особое внимание уделяется технологическим свойствам материалов. Проверяются и постоянно корректируются электрофизические и химические параметры используемых технологических сред на операциях травления, металлизации.

Операционный контроль качества проводится после наиболее ответственных технологических операций. Число контрольных точек определяется совершенством и стабильностью процесса. Тщательно проверяется качество фотошаблонов и сетчатых трафаретов, монтажных отверстий, межслойных соединений. На этих операциях стремятся использовать автоматизированное технологическое оборудование с системами управления и контроля.

Основными видами выходного контроля ПП являются: 1) контроль внешнего вида; 2) инструментальный контроль геометрических параметров и оценка точности выполнения отдельных элементов, совмещения слоев; 3) проверка металлизации отверстий и их устойчивости к токовой нагрузке; 4) определение целостности токопроводящих цепей и сопротивления изоляции.

Рассмотрим характерные дефекты, имеющие место при изготовлении ПП.

Расслоение многослойной структуры возникает при использовании склеивающих прокладок с просроченным сроком годности или низким содержанием смолы, при некачественной подготовке слоев перед прессованием, при нарушении режимов прессования или механической обработки контура.

Теми же причинами вызывается отслоение элементов печатного монтажа. Вероятность его увеличивается при применения узких и длинных печатных проводников, занижения размеров контактных площадок по отношению к размерам просверленных отверстий. Дефект может устраняться подклеиванием.

Выход отверстий за пределы контактных площадок наблюдается из-за недостаточной точности оборудования и технологической оснастки, смещения слоев при прессовании, деформации диэлектрических оснований и неправильного базирования ПП при выполнении отверстий. Дефект практически не устраняется.

Вздутие происходит, если между слоями остались воздух или влага или при прессовании полное давление прикладывается раньше начала желатинизации клея. Дефект не устраняется.

Коробление плат вызывается несбалансированностью конструкции ПП, неоднородностью склеивающего материала, снятием заготовок с пресса до полного охлаждения плит. Уменьшить коробление можно терморихтовкой.

Короткие замыкания между элементами печатного монтажа могут быть вызваны некачественным травлением, смещением слоев при прессовании, малыми расстояниями между элементами печатного монтажа, попаданием посторонних металлических включений между слоями МПП при сборке.

Разрыв токопроводящих цепей обусловливается подтравливанием печатных проводников, наличием глубоких царапин на поверхности исходного материала, возникновением внутренних напряжений при прессовании, некачественной подготовкой поверхности отверстий перед металлизацией.

Геометрические характеристики ПП - толщина, диаметр отверстий, расстояние между их центрами, величина коробления, габаритные размеры и смещение отверстий относительно центра контролируются с помощью инструментов для измерения линейных размеров. Погрешности формы элементов рисунка ПП определяются визуально при (10, 20)-кратном стереоскопическом увеличении.

Проверку металлизации монтажных отверстий проводят разрушающим или неразрушающим методом. При разрушающем методе изготавливают микрошлиф и по нему определяют толщину слоя, равномерность распределения металлизации, структуру покрытия, его пористость, наличие трещин, качество срастания с элементами печатного монтажа. Экспрессную проверку качества металлизации проводят по калибровочным графикам измерением омического сопротивления контактного перехода при подаче тока 1 А. Границей качественного и некачественного соединений является значение 500 мкОм, которое уточняется для каждого монтажного перехода.

Проверка устойчивости соединений к токовым нагрузкам осуществляется на основе многочасовой работы металлизированных отверстий под током 1-3 А. Ослабленные соединения выгорают или в них увеличивается температура, изменение которой эффективно и с высокой точностью контролируется тепловизионными системами.

Целостность токопроводящих цепей и сопротивление изоляции между проводниками проверяются электрическим методом на автоматических тестерах с числовым программным управлением. Печатная плата при помощи контактного устройства соединяется на входе через коммутатор с блоком опроса, а на выходе - с измерительным устройством. Контактное устройство представляет собой матрицу из иглообразных подпружиненных контактов, расположенных в узлах координатной сетки. На каждую проверяемую цепь подается сигнал 5-12 В, результат измерения сравнивается с эталонным, и на основании этого сравнения определяется годность цепи. Снабжение блока опроса высоковольтным источником (150-1500 В) позволяет контролировать электрическую прочность изоляции.

Испытания ПП и МПП позволяют в условиях климатических и электрических воздействий оценить их соответствие техническим требованиям, предъявляемым к аппаратуре, и установить скрытые дефекты. Они разделяются на приемосдаточные, периодические и типовые.

Приемосдаточные испытания проводятся партиями не более 1000-1200 шт., изготовленными по одной конструкторской и технологической документации, и включают: 1) стопроцентный контроль габаритных и установочных размеров, внешнего вида диэлектрического основания и проводящего рисунка на соответствие конструкторской документации, величины изгиба и скручивания, правильности монтажных соединений на отсутствие обрывов и коротких замыканий; 2) выборочную проверку (3% от партии, но не менее 3 шт.) сопротивления изоляции в нормальных климатических условиях при ручном контроле и стопроцентную проверку при автоматизированном; 3) выборочный контроль (1-2 платы от ежедневной выработки) толщины металлизации в отверстиях; 4) выборочную проверку (3% от партии, но не менее 3 шт.) паяемости контактных площадок и металлизированных отверстий, а также их устойчивости к перепайкам.

Периодические испытания ПП и МПП проводятся с целью подтверждения их эксплуатационных характеристик, правильности выполнения ТП и соответствия конструкторской документации не реже одного раза в шесть месяцев. Для контроля случайным образом выбираются платы, прошедшие приемосдаточные испытания в количестве 5 плат при опытном и мелкосерийном производстве и 10 плат при серийном производстве. В объем испытаний входят: 1) многократные изгибы ГПП и ГПК (ГПП должны выдерживать 5-кратный цикл изгибов радиусом 10±0,5 мм, а ГПК 150-кратный цикл изгибов радиусом 3±'0,5 мм на 90° в обе стороны от исходного положения); 2) перепайка (5-10) отверстий и (5-10) контактных площадок, проверка паяемости (1-2 платы); 3) проверка омического сопротивления металлизированных отверстий (3 шт.) и их устойчивости к кратковременной токовой перегрузке; 4) проверка в нормальных климатических условиях целостности электрических цепей и сопротивления изоляции (но не менее чем на 5 парах проводников, в том числе цепей питания); 5) контроль внешнего вида, целостности соединений и сопротивления изоляции после воздействия климатических факторов, устанавливаемых в зависимости от группы жесткости испытаний по соответствующему стандарту.

Типовые испытания проводятся для определения эффективности внесенных изменений в конструкцию и технологию ПП. Программа испытаний составляется предприятием, изготавливающим ПП, и согласовывается с разработчиком.

Литература

Ивченко В.Г. Конструирование и технология ЭВМ. Конспект лекций. - /Таганрог: ТГРУ, Кафедра конструирования электронных средств. – 2001. - ссылка скрыта
Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов. – М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 528 с. URL: ссылка скрыта
Технология приборостроения: Учебник / Под общей редакцией проф. И.П.Бушминского. – М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана. URL: ссылка скрыта
Тупик В.А. Технология и организация производства радиоэлектронной аппаратуры. – СПб: Издательство: СПбГЭТУ "ЛЭТИ" – 2004. URL: ссылка скрыта

Blog

Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры