СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С ВСТРОЕННЫМИ РЕЗИСТОРАМИ
METHOD OF MAKING PRINTED CIRCUIT BOARDS WITH BUILT-IN RESISTORS

Изобретение относится к технологии изготовления печатных плат и может быть использовано в электротехнической, радиотехнической, электронной промышленности и приборостроении при изготовлении двусторонних печатных плат.
Известен способ изготовления печатной платы с теплоотводом, при котором на основание печатной платы, выполненное из алюминиевой пластины, осаждают на вакуумных распылительных установках изоляционный слой из системы Al-O-N и токопроводящий слой, наносят фотомаску, гальванически усиливают толщину токопроводящего слоя, удаляют фотомаску и дифференциальным травлением формируют проводящий рисунок [1].
Недостатками описанного способа являются: отсутствие сведений о возможности получения печатных плат с металлизированными отверстиями и возможности получения встроенных резисторов.
Известен также способ изготовления печатных плат с встроенными резисторами, при котором в печатных платах, выполненных из материала FR4-ML, формируют отверстия, которые заполняют резистивной пастой, причем резистивная паста образует контакт с электрическими слоями печатной платы [2].
Недостаток способа в плохой теплопроводности FR4-ML и перегреве резисторов, находящихся в замкнутом объеме.
Таким образом, на основании двух источников [1, 2] можно говорить о возможности изготовления печатных плат с встроенными резисторами на основе использования в качестве основания печатной платы металлической пластины с последующим покрытием поверхности платы и стенок отверстия изоляционным слоем, нанесении токопроводящего слоя на поверхность платы и стенки монтажных отверстий и формировании проводящего рисунка схемы.
В основу изобретения положена задача создания способа изготовления печатных плат со встроенными резисторами, который позволил бы увеличить мощность теплового рассеяния встроенных в печатные платы резисторов, а также улучшить отвод тепла от элементов, монтируемых на печатной плате.
Поставленная задача решается тем, что в качестве изоляционного слоя используют нитрид алюминия, встроенные резисторы размещают в отверстиях с нанесенным изоляционным слоем нитрида алюминия на стенках отверстий, а токопроводящий слой осаждают также на торцы встроенных резисторов.
Формирование проводящего рисунка схемы осуществляют путем нанесения фотомаски, гальванического усиления толщины проводящего слоя, осаждения защитного металлорезиста, удаления фотомаски и травления проводящего слоя с пробельных мест, либо сначала усиливают гальванически токопроводящий слой, наносят фотомаску на контактные площадки, проводники и места расположения торцов встроенных резисторов, вытравливают токопроводящий слой с пробельных мест, удаляют фотомаску, наносят защитную паяльную маску и облуживают контактные площадки и стенки монтажных отверстий.
На чертеже показана схема изготовления двусторонних печатных плат по предлагаемому способу, которая имеет два варианта формирования проводящего рисунка схемы. Тонкими линиями изображено то, что совпадает с прототипом или аналогом, а толстыми линиями - отличающиеся операции и сечения.
Процесс изготовления двусторонних печатных плат по предлагаемому способу включает следующие операции: получение заготовки 1, сверление монтажных отверстий и отверстий под встроенные резисторы 2, нанесение слоя нитрида алюминия 3, заполнение отверстий резистивной пастой для формирования встроенных резисторов 4, нанесение на поверхность штаты, торцы встроенных резисторов и стенки монтажных отверстий токопроводящего слоя 5, нанесение защитного рисунка 6, гальваническое наращивание токопроводящего слоя 7, нанесение защитного металлорезиста травления 8, удаление защитного рисунка и токопроводящего слоя с пробельных мест 9, гальваническое наращивание токопроводящего слоя 10, нанесение защитного рисунка на токопроводящий слой 11, вытравливание токопроводящего слоя с пробельных мест и удаление защитного рисунка 12, нанесение защитной маски под пайку 13, облуживание контактных площадок 14.
S
14
Пример процесса изготовления двусторонних печатных плат со встроенными резисторами реализуется в следующей последовательности. Из листов металла с высокой теплопроводностью, например меди марки М0, на операции 1 нарезаются заготовки 15 нужного размера. В заготовках в соответствии с чертежом платы на операции 2 сверлятся монтажные отверстия 16 и отверстия под встроенные резисторы 17. Затем на операции 3 на поверхность заготовки с просверленными отверстиями осаждается слой нитрида алюминия 18 толщиной 3…5 мкм методом реактивного ВЧ-магнетронного распыления на установке вакуумного напыления УРМЗ.297.014. Слой нитрида алюминия обладает высокими диэлектрическими свойствами: удельное сопротивление R=10 Ом·см [3] и высокой теплопроводностью . Это позволяет эффективно отводить тепло от резистора в металлическое основание 15.
На операции 4 отверстие 17, стенки которого покрыты слоем нитрида алюминия, заполняют резистивной пастой 19. Формируется резистор, сопротивление которого согласно [2] вычисляется по формуле
где Н - толщина металлического основания, мм;
D - диаметр отверстия, мм;
ρ - удельное сопротивление резистивной пасты, Ом·мм;
π=3,14 - константа.
Подбором толщины металлического основания Н, диаметра отверстия D и удельного сопротивления резистивной пасты ρ можно в широких пределах варьировать значение получаемого сопротивления.
При формировании резистора в отверстиях основания, выполненного из стеклотекстолита марки FR-4, как заявлено в [2], теплопередача от резистора в материал основания будет плохой, так как коэффициент теплопередачи равен . В то же время у нитрида алюминия , а у металлического основания из меди . Поэтому резисторы, размещенные в отверстиях основания из металла, могут рассеивать большую мощность, обеспечивая высокую теплонапряженность печатной платы.
Для обеспечения электрического контакта с элементами рисунка печатной платы на поверхность печатной платы, стенки монтажных отверстий 16 и торцы резистора 19 на операции 5 осаждают пленку меди 20 на установке вакуумного напыления УРМЗ.297.014 методом реактивного ВЧ-магнетронного распыления. Толщина пленки 5…8 мкм. Она усиливается за счет гальванического наращивания токопроводящего слоя 21 до толщины 25…30 мкм. С помощью фоторезиста формируется защитный рисунок 22, который защищает слой меди в процессе травления меди с пробельных мест, либо который оставляет открытыми участки для гальванического осаждения меди и наращивания защитного металлорезиста травления 23.
Удаляют защитный рисунок 22 и производят травление токопроводящего слоя 20 с тех мест, которые не защищены слоем металлорезиста 23, или сначала стравливают токопроводящие слои 20 и 21 на пробельных местах, не защищенных защитным рисунком 22. Потом наносят защитную маску под пайку 24. Контактные площадки покрывают финишным покрытием 25, обеспечивая хорошую паяемость печатной платы.
Проверка способа осуществлялась с использованием базового (типового) технологического оборудования для изготовления двусторонних печатных плат, двух установок вакуумного напыления УРМЗ.297.014, реализующих метод реактивного ВЧ-магнетронного распыления, для реализации операций 3 и 5 и установки дозированной подачи резистивной пасты для операции 4.
Для эксперимента была выбрана плата с металлическим основанием из меди толщиной 2,0 мм с монтажными отверстиями диаметром 0,8 мм и отверстиями под резисторы диаметром 0,4 мм. Класс точности печатных плат соответствовал 3-4 классу. Размер печатных плат не превышал 130Ч130 мм и ограничивался размером места расположения мишени.
После загрузки платы в установку напыления УРМЗ.297.014 производили осаждение нитрида алюминия на всю поверхность платы и стенки отверстия толщиной 3…5 мкм. Толщину измеряли в процессе напыления частотным методом.
Заполнение отверстий резистивной пастой производили на установке «ТРАССА-4304». Требуемый диапазон величин сопротивлений резисторов обеспечивался необходимым диаметром отверстия и величиной удельного сопротивления резистивной пасты. Так при диаметре отверстия 0,4 мм и удельном сопротивлении резистивной пасты 25 Ом·мм величина сопротивления резистора будет составлять
Нанесение токопроводящего медного слоя 20 производили на установке вакуумного напыления УРМЗ.297.014. Толщина слоя 5…8 мкм. Контроль осуществлялся в процессе напыления частотным методом.
Далее платы обрабатывались по всему циклу.
Изготовленные печатные платы с встроенными резисторами проверены на соответствие требованиям ГОСТ 23752-79 «Платы печатные. Общие технические условия» и проконтролированы на стабильность сохранения значений сопротивлений в течение продолжительной эксплуатации при условии 10-кратной перегрузки. Проведенные испытания изготовленных печатных плат подтвердили их высокое качество при сохранении требуемых конструктивно-технологических характеристик.
Использование изобретения дает следующий эффект по сравнению с прототипом: увеличение мощности рассеивания резистора на плате по предложенному техническому решению в 10 раз по сравнению с вариантом размещения резистора в отверстии платы, изготовленной из FR-4, с аналогичными параметрами.
Источники информации
6
1. Способ изготовления печатной платы с теплоотводом. Verfahren zum Herstellen einer wärmeableitenden Leiterplatte: Заявка 19641397 A1 Германия, МПК H05k 1/05 / Reiter Martino, Wolkers Lutz, Brikholtz Peter; Siemens AG. - №196413974; заявл. 27.9.96; опубл. 2.4.98.
7
2. Внедренные сопротивления в отверстиях печатных плат. Innenlegende Widerstände in Borungen von Leiterplate: Заявка 10015269 A1 Германия, МПК H05k 1/16 / Crasser Eduard, Katzir Helmut; Siemens AG - №10015269; заявл. 28.3.2000; опубл. 28.6.2001 (прототип).
3. Добрынин А.В., Казаков Н.П., Найда Г.А., Родденежный Е.Н. и др. Нитрид алюминия в электронной технике // Зарубежная электроника. М., Вып.4, 1989, с.44-84.
4. Свойства элементов, Ч.2. Химические свойства. Справочник / Антонова Н.Н., Брахнова И.Т., Борисова А.Л. и др. Под ред. Г.В.Самеонова. М. Металлургия, 1976. 384 с.
5. Лысов В., Кочергин В. Печатные платы с металлическим основанием // Печатный монтаж, №3, 2007, с.23.
6. Кухлинг X. Справочник по физике. Перевод с нем. под ред. Е.М.Лейкина. М., Мир, 1985, табл.28.