eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.196.5.138.142
Рассмотрены основные этапы изготовления керамических печатных плат, технологические нюансы и особенности производственного цикла, освоенного в АО «ТЕСТПРИБОР». Показана практическая и технологическая ценность технической керамики как материала для изготовления печатных плат.
Рассмотрены основные этапы изготовления керамических печатных плат, технологические нюансы и особенности производственного цикла, освоенного в АО «ТЕСТПРИБОР». Показана практическая и технологическая ценность технической керамики как материала для изготовления печатных плат.
Теги: metallization technologies multilayer printed circuit boards vacuum-tight ceramics вакуумплотная керамика многослойные печатные платы технологии металлизации
Производство печатных плат из многослойной керамики
Д. Яковлев
Керамические печатные платы из многослойной керамики применяются в составе гибридных электронных схем, в области силовой электроники, оптоэлектроники и СВЧ‑техники, также они используются для электрической изоляции конструкций, узлов и элементов различных электронных устройств.
Печатная плата составляет основу любого электронного изделия, входя в состав компьютеров, сотовых телефонов и военной техники. Появившись более 100 лет назад, это маленькое устройство ознаменовало значительный скачок в развитии радиоэлектронной аппаратуры. Однако, вследствие постоянного ужесточения требований к печатным платам в связи с миниатюризацией изделий, разработкой высокоинтегрированных сборок и на фоне постоянно растущего количества технических требований к печатным платам, возникла необходимость внедрения в производство нового материала. Более того, получение максимальной производительности при минимальном занимаемом объеме неизбежно приводит к увеличению степени нагрева электронных компонентов и, как следствие, к значительно большему тепловыделению. Керамика обеспечивает эффективный теплоотвод от электронных компонентов с помощью материала основы. При монтаже основание платы может крепиться к радиатору. Пример такой платы показан на рис. 1.
В настоящее время в силовой электронике и микроэлектронике широко распространены керамические платы и подложки с использованием в качестве основы производственных процессов тонких или толстых пленок. Компанией «ТЕСТПРИБОР» освоены технологии изготовления однослойных и многослойных плат и подложек из вакуумплотной керамики на основе оксида алюминия (Al2O3) и нитрида алюминия (AlN) как по толстопленочной технологии, так и по тонкопленочной.
Изделия из таких материалов характеризуются:
Первый шаг при проектировании печатных плат из керамики – это грамотный выбор материала подложки, который осуществляется исходя из технических требований заказчика. Производство АО «ТЕСТПРИБОР» изготавливает и поставляет различного рода спеченные керамические пластины, выполненные из:
оксида алюминия Al2O3 с содержанием его в количестве 92,96 и 99%;
нитрида алюминия AlN, в том числе полированного.
Характеристики подложек представлены в табл. 1. Толщина пластин варьируется от 0,127 до 2 мм, возможно изготовление подложек нестандартной толщины по документации заказчика.
В условиях производства АО «ТЕСТПРИБОР» освоена технология изготовления не только односторонних и двухсторонних плат на основе спеченной керамики, но и многослойных плат на основе сырой керамики.
Диаграмма процесса производства многослойных металлокерамических плат, а также примеры изделий, изготовленных на основе технологии НТСС, представлены на рис. 2.
Многослойные печатные платы производства АО «ТЕСТПРИБОР» высококачественные, так как особое внимание уделяется контролю и выбору сырья, используемого при производстве керамики, а также многостадийному контролю производства на каждом этапе технологического процесса.
Обработка поверхности как спеченной, так и сырой керамики производится по ТЗ заказчика. После обжига керамика может подвергаться полировке и шлифовке до требуемых значений плоскостности, параллельности и шероховатости.
Для формирования отверстий (сквозных, переходных, торцевых, межслойных), посадочных площадок и гнезд, колодцев и других элементов при производстве керамических плат применяются следующие виды механической обработки керамики:
Керамическая заготовка с расположенными на ней изделиями (групповой метод) показана на рис. 3.
С помощью специального оборудования производится скрайбирование и резка спеченной и сырой керамики, а также прошивка в ней отверстий. Вне зависимости от выбранного способа, точность обработки керамических изделий будет не хуже ±0,02 мм, что подтверждается встроенными в оборудование оптическими средствами автоматического контроля качества.
Керамические платы и подложки могут иметь как одно- или двухстороннюю сплошную металлизацию, так и топологический рисунок, сформированный в соответствии с техническими требованиями заказчика. Для металлизации керамических плат в АО «ТЕСТПРИБОР» наиболее часто применяют толстопленочную технологию Thick-Film (рис. 4а): проводящий топологический рисунок и изоляционные слои формируются путем нанесения металлизационной пасты с последующим вжиганием в защитной среде методом трафаретной печати. Толстопленочная технология нанесения металлизации позволяет формировать проводниковые слои толщиной в среднем от 25 до 50 мкм после процесса вжигания. В пастах для формирования толстопленочной металлизации методом трафаретной печати используются различные компоненты. Ввиду специфики термических процессов в основном применяются тугоплавкие металлы – молибден и вольфрам, наиболее подходящие по физическим характеристикам для высокотемпературной керамики металлы.
По требованию заказчика возможно нанесение металлизации драгоценными металлами, такими как серебро, серебро-палладий, золото. Применение паст с драгоценными металлами особенно актуально для низкотемпературной керамики. Также возможно формирование элементов топологии из резистивной или диэлектрической пасты, что позволяет «печатать» на поверхности и внутри слоев керамических плат встроенные резисторы, конденсаторы и индуктивности.
Соответствие толщины и стабильность нанесения паст достигается при:
Отдельную нишу в процессах нанесения металлизации на производстве АО «ТЕСТПРИБОР» занимают технологии DBC и STC (рис. 4б). Эти технологии используются для изготовления керамических плат на основе Al2O3 (96%) и AlN с металлизацией медью толщиной до 400 мкм, с возможностью последующего формирования заданного топологического рисунка фотолитографическими методами или методом вакуумного напыления и наращивания проводникового слоя через специальные маски.
Повышенные требования к качеству и точности нанесения металлизации выявили необходимость организации собственного изготовления сетчатых трафаретов. В условиях производства АО «ТЕСТПРИБОР» изготавливаются высококачественные сетчатые трафареты со следующими характеристиками:
Качество трафаретов, от которого напрямую зависит качество готовой металлизации, достигается за счет:
Процесс вжигания производится в колпаковой печи в строго контролируемой по качеству газов в азотоводородной среде при температуре в диапазоне от 1 300 до 1 700 °C. Получение качественной вакуум-плотной керамики достигается благодаря использованию печей с программным управлением, точностью поддержания температуры до ±0,1 °C во всем диапазоне температур и газов особой чистоты. Строгий контроль за соблюдением технологических параметров гарантирует стабильность и управляемость процессов усадки керамики. Собственная газогенерирующая установка обеспечивает производство технологическими газами чистотой 99,9995% (остаточная концентрация примесей не более 5 ppm). В зависимости от выбранного материала плат и подложек и сложности изделия процесс обжига может занимать до двух суток. Пример керамической платы до обжига и после обжига показан на рис. 5.
Следующим этапом в изготовлении керамических плат и подложек является пайка – размещение на плате необходимых металлических элементов, например, ободков, необходимых для последующей герметизации монтируемых на плату электронных компонентов, экранов или теплоотводов. Применение графитовой оснастки собственного производства в паре с компьютерными методами расчета, а также применение специальных припойных материалов позволяют получить качественный спай между различными по коэффициенту теплового расширения материалами. На производстве АО «ТЕСТПРИБОР» применяется технология пайки керамики со следующими группами металлов: ковар, медь, псевдосплавы МД‑40 и ВД‑15, иные сплавы с медью / вольфрамом / молибденом, а также композитные многослойные материалы с повышенной теплопроводностью.
В рамках освоения различного рода экспериментальной и серийной продукции на производстве освоены следующие технологии нанесения гальванических покрытий:
Электрохимическое золочение для проволочных выводов: толщина покрытия около 10 мкм;
химическое и иммерсионное золочение: толщина покрытия, нанесенного химическим способом, от 0,5 до 2,5 мкм, толщина слоя иммерсионного покрытия до 0,15 мкм – для изделий сложной формы и топологии с большим количеством изолированных монтажных площадок (в том числе печатных плат), проволочных выводов.
Образцы гальванического покрытия приведены на рис. 6.
В том случае, когда на детали имеется большое количество изолированных поверхностей (например, при производстве печатных плат), изделие имеет сложную форму, предпочтительно использовать химический способ нанесения. Такая технология в данном случае позволяет значительно повысить качество покрытия.
Для формирования подслоя под золотое покрытие, а также под металлизацию, выполненную из тугоплавких материалов (молибден, вольфрам) на керамических платах и подложках, используются покрытия сплавами никель-бор и никель-фосфор.
При необходимости на никелевое покрытие можно нанести химическим или иммерсионным способами слой золота, толщина наносимого покрытия золотом может гарантированно достигать до 2,5–3 мкм. Проведенные испытания изделий с таким покрытием показали, что покрытие сохраняет паяемость и антикоррозионные свойства.
Благодаря всем перечисленным процессам на производстве АО «ТЕСТПРИБОР» освоены технологии полного цикла изготовления печатных плат на основе подложек из различных видов спеченной алюмооксидной и алюмонитридной керамики.
Высокое качество печатных плат гарантируется за счет следующих параметров:
* * *
Таким образом, в АО «ТЕСТПРИБОР» освоен полный цикл производства керамических плат и подложек, в том числе изготовление уникальной технологической оснастки и трафаретов. Качество выпускаемой продукции строго контролируется на каждом этапе производства, что обеспечивает ее соответствие всем техническим требованиям заказчика. ●
Д. Яковлев
Керамические печатные платы из многослойной керамики применяются в составе гибридных электронных схем, в области силовой электроники, оптоэлектроники и СВЧ‑техники, также они используются для электрической изоляции конструкций, узлов и элементов различных электронных устройств.
Печатная плата составляет основу любого электронного изделия, входя в состав компьютеров, сотовых телефонов и военной техники. Появившись более 100 лет назад, это маленькое устройство ознаменовало значительный скачок в развитии радиоэлектронной аппаратуры. Однако, вследствие постоянного ужесточения требований к печатным платам в связи с миниатюризацией изделий, разработкой высокоинтегрированных сборок и на фоне постоянно растущего количества технических требований к печатным платам, возникла необходимость внедрения в производство нового материала. Более того, получение максимальной производительности при минимальном занимаемом объеме неизбежно приводит к увеличению степени нагрева электронных компонентов и, как следствие, к значительно большему тепловыделению. Керамика обеспечивает эффективный теплоотвод от электронных компонентов с помощью материала основы. При монтаже основание платы может крепиться к радиатору. Пример такой платы показан на рис. 1.
В настоящее время в силовой электронике и микроэлектронике широко распространены керамические платы и подложки с использованием в качестве основы производственных процессов тонких или толстых пленок. Компанией «ТЕСТПРИБОР» освоены технологии изготовления однослойных и многослойных плат и подложек из вакуумплотной керамики на основе оксида алюминия (Al2O3) и нитрида алюминия (AlN) как по толстопленочной технологии, так и по тонкопленочной.
Изделия из таких материалов характеризуются:
- высокой теплопроводностью;
- высокой степенью герметичности;
- низким коэффициентом теплового расширения;
- низкими диэлектрическими потерями;
- высокой механической прочностью;
- высоким качеством обработки поверхности.
Первый шаг при проектировании печатных плат из керамики – это грамотный выбор материала подложки, который осуществляется исходя из технических требований заказчика. Производство АО «ТЕСТПРИБОР» изготавливает и поставляет различного рода спеченные керамические пластины, выполненные из:
оксида алюминия Al2O3 с содержанием его в количестве 92,96 и 99%;
нитрида алюминия AlN, в том числе полированного.
Характеристики подложек представлены в табл. 1. Толщина пластин варьируется от 0,127 до 2 мм, возможно изготовление подложек нестандартной толщины по документации заказчика.
В условиях производства АО «ТЕСТПРИБОР» освоена технология изготовления не только односторонних и двухсторонних плат на основе спеченной керамики, но и многослойных плат на основе сырой керамики.
Диаграмма процесса производства многослойных металлокерамических плат, а также примеры изделий, изготовленных на основе технологии НТСС, представлены на рис. 2.
Многослойные печатные платы производства АО «ТЕСТПРИБОР» высококачественные, так как особое внимание уделяется контролю и выбору сырья, используемого при производстве керамики, а также многостадийному контролю производства на каждом этапе технологического процесса.
Обработка поверхности как спеченной, так и сырой керамики производится по ТЗ заказчика. После обжига керамика может подвергаться полировке и шлифовке до требуемых значений плоскостности, параллельности и шероховатости.
Для формирования отверстий (сквозных, переходных, торцевых, межслойных), посадочных площадок и гнезд, колодцев и других элементов при производстве керамических плат применяются следующие виды механической обработки керамики:
- пробивка отверстий – используется исключительно в сырой керамике при небольших толщинах, позволяет получить почти идеальный край отверстия при высокой скорости обработки (до 500 отверстий в секунду), но имеет ограничения по геометрии и размерам производимых отверстий;
- лазерная обработка – проводится как по сырой, так и по спеченной керамике. Не имеет ограничений по геометрии и размерам формируемых элементов, но при обработке керамики толщиной от 0,2 мм выявляется небольшая конусность края получаемых элементов, что необходимо учитывать при разработке ТЗ, а при толщинах более 1 мм требуется применение технологически сложных режимов обработки с применением инертных газов в качестве рабочей среды;
- резка горячим ножом – применяется исключительно в сырой керамике для разделения керамической заготовки на изделия, имеет высокую скорость обработки, особенно эффективна при групповом методе обработки деталей с высокой плотностью группы;
- прецизионная дисковая резка – применяется для получения прямого сплошного реза и скрайбирования как сырых, так и обожженных керамических изделий. Используется для разделения керамической заготовки на готовые платы или ее надрезки.
Керамическая заготовка с расположенными на ней изделиями (групповой метод) показана на рис. 3.
С помощью специального оборудования производится скрайбирование и резка спеченной и сырой керамики, а также прошивка в ней отверстий. Вне зависимости от выбранного способа, точность обработки керамических изделий будет не хуже ±0,02 мм, что подтверждается встроенными в оборудование оптическими средствами автоматического контроля качества.
Керамические платы и подложки могут иметь как одно- или двухстороннюю сплошную металлизацию, так и топологический рисунок, сформированный в соответствии с техническими требованиями заказчика. Для металлизации керамических плат в АО «ТЕСТПРИБОР» наиболее часто применяют толстопленочную технологию Thick-Film (рис. 4а): проводящий топологический рисунок и изоляционные слои формируются путем нанесения металлизационной пасты с последующим вжиганием в защитной среде методом трафаретной печати. Толстопленочная технология нанесения металлизации позволяет формировать проводниковые слои толщиной в среднем от 25 до 50 мкм после процесса вжигания. В пастах для формирования толстопленочной металлизации методом трафаретной печати используются различные компоненты. Ввиду специфики термических процессов в основном применяются тугоплавкие металлы – молибден и вольфрам, наиболее подходящие по физическим характеристикам для высокотемпературной керамики металлы.
По требованию заказчика возможно нанесение металлизации драгоценными металлами, такими как серебро, серебро-палладий, золото. Применение паст с драгоценными металлами особенно актуально для низкотемпературной керамики. Также возможно формирование элементов топологии из резистивной или диэлектрической пасты, что позволяет «печатать» на поверхности и внутри слоев керамических плат встроенные резисторы, конденсаторы и индуктивности.
Соответствие толщины и стабильность нанесения паст достигается при:
- строгом контроле физических параметров паст (вязкости, размера частиц и т. д.);
- грамотном выборе технологом используемого материала и режимов печати.
Отдельную нишу в процессах нанесения металлизации на производстве АО «ТЕСТПРИБОР» занимают технологии DBC и STC (рис. 4б). Эти технологии используются для изготовления керамических плат на основе Al2O3 (96%) и AlN с металлизацией медью толщиной до 400 мкм, с возможностью последующего формирования заданного топологического рисунка фотолитографическими методами или методом вакуумного напыления и наращивания проводникового слоя через специальные маски.
Повышенные требования к качеству и точности нанесения металлизации выявили необходимость организации собственного изготовления сетчатых трафаретов. В условиях производства АО «ТЕСТПРИБОР» изготавливаются высококачественные сетчатые трафареты со следующими характеристиками:
- максимальный размер трафаретной рамы 450 × 450 мм;
- минимальный размер ячейки сетки – 0,038 мм;
- точность изготовления фотошаблонов – не хуже 6 мкм.
Качество трафаретов, от которого напрямую зависит качество готовой металлизации, достигается за счет:
- использования высококачественной сетки, обеспечивающей высокую степень натяжения, малое удлинение, высокий предел текучести пасты;
- точность геометрических параметров ячеек сетки позволяет строго контролировать расход пасты, а также получать точный допуск габаритов отпечатка;
- сетка натянута таким образом, что во время печати она максимально упруга, что повышает срок ее службы;
- высококачественный пленочный фоторезист обеспечивает постоянство и долговечность характеристик, отличное качество отпечатков и повторяемость.
Процесс вжигания производится в колпаковой печи в строго контролируемой по качеству газов в азотоводородной среде при температуре в диапазоне от 1 300 до 1 700 °C. Получение качественной вакуум-плотной керамики достигается благодаря использованию печей с программным управлением, точностью поддержания температуры до ±0,1 °C во всем диапазоне температур и газов особой чистоты. Строгий контроль за соблюдением технологических параметров гарантирует стабильность и управляемость процессов усадки керамики. Собственная газогенерирующая установка обеспечивает производство технологическими газами чистотой 99,9995% (остаточная концентрация примесей не более 5 ppm). В зависимости от выбранного материала плат и подложек и сложности изделия процесс обжига может занимать до двух суток. Пример керамической платы до обжига и после обжига показан на рис. 5.
Следующим этапом в изготовлении керамических плат и подложек является пайка – размещение на плате необходимых металлических элементов, например, ободков, необходимых для последующей герметизации монтируемых на плату электронных компонентов, экранов или теплоотводов. Применение графитовой оснастки собственного производства в паре с компьютерными методами расчета, а также применение специальных припойных материалов позволяют получить качественный спай между различными по коэффициенту теплового расширения материалами. На производстве АО «ТЕСТПРИБОР» применяется технология пайки керамики со следующими группами металлов: ковар, медь, псевдосплавы МД‑40 и ВД‑15, иные сплавы с медью / вольфрамом / молибденом, а также композитные многослойные материалы с повышенной теплопроводностью.
В рамках освоения различного рода экспериментальной и серийной продукции на производстве освоены следующие технологии нанесения гальванических покрытий:
- электрохимическое никелирование из растворов различных составов: толщина слоя покрытия до 30 мкм;
- электрохимическое никелирование сплавом никель-фосфор: толщина слоя покрытия до 30 мкм;
- химическое никелирование сплавами никель-фосфор, никель-бор для изделий сложной формы и топологии с большим количеством изолированных монтажных площадок (в том числе на печатных платах): гарантированная толщина покрытия до 10 мкм.
Электрохимическое золочение для проволочных выводов: толщина покрытия около 10 мкм;
химическое и иммерсионное золочение: толщина покрытия, нанесенного химическим способом, от 0,5 до 2,5 мкм, толщина слоя иммерсионного покрытия до 0,15 мкм – для изделий сложной формы и топологии с большим количеством изолированных монтажных площадок (в том числе печатных плат), проволочных выводов.
Образцы гальванического покрытия приведены на рис. 6.
В том случае, когда на детали имеется большое количество изолированных поверхностей (например, при производстве печатных плат), изделие имеет сложную форму, предпочтительно использовать химический способ нанесения. Такая технология в данном случае позволяет значительно повысить качество покрытия.
Для формирования подслоя под золотое покрытие, а также под металлизацию, выполненную из тугоплавких материалов (молибден, вольфрам) на керамических платах и подложках, используются покрытия сплавами никель-бор и никель-фосфор.
При необходимости на никелевое покрытие можно нанести химическим или иммерсионным способами слой золота, толщина наносимого покрытия золотом может гарантированно достигать до 2,5–3 мкм. Проведенные испытания изделий с таким покрытием показали, что покрытие сохраняет паяемость и антикоррозионные свойства.
Благодаря всем перечисленным процессам на производстве АО «ТЕСТПРИБОР» освоены технологии полного цикла изготовления печатных плат на основе подложек из различных видов спеченной алюмооксидной и алюмонитридной керамики.
Высокое качество печатных плат гарантируется за счет следующих параметров:
- процесс изготовления керамических подложек для печатных плат полностью соответствует требованиям, предъявляемым к изделию;
- при производстве используются высококачественные трафареты для печати, изготавливаемые из определенных материалов с заданными характеристиками;
- строгий контроль физических параметров паст, грамотно подобранные составы, а также режимы нанесения и вжигания металлизации;
- особое внимание уделено проектированию оборудования и оснастки, позволяющим получать повторяемость по толщине, характеристикам металлизации и покрытия внутри партии, и достигать равномерности покрытия на одном изделии настолько, насколько позволяют его геометрические характеристики;
- качество используемых при покрытии гальванических растворов и постоянство технологических параметров четко контролируются производственной лабораторией и инженерным персоналом;
- уникальные, современные составы позволяют наносить как классические покрытия, так и редко используемые при обычной практике – например, золотое покрытие, полученное химическим способом до толщины более 2 мкм, что способствует решению широкого спектра задач;
- контроль качества изделий производится в несколько этапов по многим параметрам на 100% продукции преимущественно неразрушающими (бесконтактными) методами, что снижает вероятность попадания бракованных изделий к заказчику.
* * *
Таким образом, в АО «ТЕСТПРИБОР» освоен полный цикл производства керамических плат и подложек, в том числе изготовление уникальной технологической оснастки и трафаретов. Качество выпускаемой продукции строго контролируется на каждом этапе производства, что обеспечивает ее соответствие всем техническим требованиям заказчика. ●
Отзывы читателей
