О проблеме влагостойкости печатного монтажа

Компоненты и технологии, № 4'2002

0 проблеме влагостойкости

печатного монтажа

В статье рассматривается нетрадиционный подход к решению проблемы повышения влагостойкости печатного монтажа, основанный на модификации диэлектрического основания непосредственно в печатной плате. Приведены результаты работ по практической реализации метода полимеризационного наполнения.

Тех1

гии

Владимир Уразаев

urazaev@yandex.ru

У людей, имеющих отношение к производству радиоэлектронной аппаратуры, слово «влаго-защита» обычно ассоциируется с лаковым покрытием. Представители «оборонки» часто недобрым словом вспоминают крайне капризный в использовании лак УР-231 или этиловый спирт, имеющий обыкновение сильно разбавляться на пути к производству и никак не желающий образовывать спирто-бензиновую смесь. Кто-то подумает о том, что хорошо бы печатные платы сделать из импортного стеклотекстолита, который после травления не будет напоминать папирусную бумагу. Ну а самые продвинутые скажут, что сейчас почти все печатные платы, особенно зарубежного производства, вместо лака покрыты так называемой зеленкой.

Действительно, в зарубежной радиоэлектронной аппаратуре использование лаковых покрытий в какой-то степени стало анахронизмом. Цивилизованный мир пошел логически вполне объяснимым путем, шаг за шагом улучшая физико-технические характеристики стеклотекстолитов, и, естественно, достиг на этом пути успехов. Нет технически неразрешимых задач. Вопрос лишь в цене решения.

Мы же, как всегда, пошли своим путем: одни работали над выяснением причин «появления побеле-сости» под лаковым покрытием; другие, опустив руки, вводили в нормативные документы допуски по возможности появления на поверхности стеклотекстолита в печатных платах «проявления текстуры стеклоткани»; третьи снижали уровень требований по электроизоляции в условиях воздействия влаги для цепей земля—питание в многослойных печатных платах, ссылаясь на их конструктивно-технологические особенности. Хотя здравый смысл говорит о том, что именно в этих цепях сопротивление изоляции хотелось бы иметь побольше.

Резкое снижение объема производства изделий с повышенными требованиями по надежности и возможность использования импортных стеклотексто-литов в какой-то степени сгладили остроту проблемы в последние годы. Но прогресс можно остановить лишь в отдельно взятой стране. Везде же «конструкции электронных модулей и печатных плат приближаются к микроэлектронным конструкциям и в ряде применений интегрируются с ними» [1]. Соответственно выросли требования к электрофизическим характеристикам диэлектрического основания печат-

ных плат. И, похоже, «логически вполне объяснимый путь» уже приближается к своему пределу. Яркой иллюстрацией этого является статья Галецкого Ф. П. [2]. Используя самые современные материалы и технические решения, специалисты ИТМ и ВТ сумели реализовать технологию изготовления двадцатислойных печатных плат для супер-ЭВМ размером 465x545 мм с шириной проводников и зазоров между ними 100 мкм. Можно только рукоплескать достижениям нашей прикладной науки, которая, оказывается, несмотря ни на что не умерла. Однако после прочтения статьи появляется какое-то чувство неудовлетворенности.

Цитирую статью:

«Анализ изоляции в изготовленных МПП показал, что в нормальных условиях сопротивление на логических слоях в пределах 1010-1013 Ом, для цепей земли и питания 108-109 Ом... В результате исследования поведения сопротивления изоляции в нормальных условиях установлено, что при изменении относительной влажности в помещении в пределах 45-80 % (установленный допуск по ГОСТ 23752-79) сопротивление изоляции может изменяться на 3-4 порядка. Учитывая, что нормы ГОСТ 23752-79 рассчитаны для плат размером 240x240 мм с общим числом отверстий не более 10 000, а рассматриваемые МПП имеют 15 276-37 828 отверстий в габаритах 545x465 мм и изоляционные зазоры до 0,1 мм, нормы по сопротивлению изоляции между шинами земли и питания необходимо корректировать».

Для тех, кто не помнит наизусть ГОСТ 23752-79, поясняю. Оказывается, МПП даже в нормальных условиях имеют сопротивление изоляции ниже, чем это допускается при испытаниях в условиях воздействия влаги. Более того, уровень сопротивления изоляции таких плат в пределах естественного колебания влажности в помещениях изменяется в 1000-10 000 раз. Такие МПП впору использовать в качестве очень чувствительного датчика измерителя влажности воздуха, а не по основному назначению. Жаль, что инерционность великовата, да и цена не вызывает энтузиазма. Вообще-то, если использовать элемент этой конструкции и еще больше посадить уровень сопротивления изоляции, а это мы можем, хороший должен получиться датчик. По поводу необходимости корректировки норм по сопротивлению изоляции — просто

Компоненты и технологии, № 4'2002

нет комментариев. Это мы уже проходили. Проблема состоит в кажущейся невозможности обеспечить необходимый уровень сопротивления изоляции стеклотекстолита или иного диэлектрика на многочисленных участках между металлизированными столбиками и перфорациями слоев земля—питание. Чем больше отверстий и чем меньше зазор между металлизированным столбиком и слоями земля—питание, тем больше токи утечки и тем выше вероятность появления «слабого» звена. Специалисты, несомненно, высочайшего класса реализовали сложнейшую конструктивно-технологическую задачу, а на финише им не хватило чуть-чуть. И, похоже, они не видят выхода. Не завидую судьбе следующего поколения печатных плат с проводниками шириной 40 мкм, технологию изготовления которых осваивает сейчас ИТМ и ВТ [3].

А решение этой проблемы есть. Не всегда верно изречение о том, что у любой сложной проблемы всегда есть простое неправильное решение. Бывает и наоборот. Причем решение приходит, казалось бы, с самой неожиданной стороны.

Во времена «побелесостей» мне пришлось вступить в ряды тех, кто «пошел своим путем». Постановка задачи была такова. Если мы не можем сделать стеклотекстолит высокого качества то как сделать из плохого стеклотекстолита относительно хорошие печатные платы? Детально изучив книгу А. М. Медведева [4], я обратил внимание на следующие принципиально важные моменты:

1. Лаковое или полимерное масочное покрытие влагопроницаемо и является лишь диффузионным барьером на пути влаги к поверхности печатной платы.

2. Склонность к появлению дефектов структуры (микро- и макрополостей) заложена в самой гетерогенной природе стеклотексто-литов. Он может быть только менее пористым или более пористым. А если смотреть глубже, то и само эпоксидное связующее неоднородно по плотности. Это тоже своеобразная пористая структура, роль «пор» в которой выполняют области с меньшей степенью сшивки.

3. Существует логическая цепочка: высокая пористость — высокое водопоглощение — низкий уровень сопротивления изоляции в условиях воздействия влаги.

4. Уровень сопротивления изоляции определяется преимущественно состоянием поверхностного слоя стеклотекстолита.

Из всего этого следует, что путь к решению

поставленной задачи лежит на поверхности в прямом и переносном смысле этого слова. Нужно ликвидировать пористость и в первую очередь пористость поверхностного слоя стеклотекстолита печатной платы.

В какой-то степени это получается само собой при нанесении обычного лакового покрытия. Лак (раствор полимерного связующего в органическом растворителе) проникает в поверхностные открытые поры, а после улетучивания растворителя частично заполняет их. Глубина проникновения ограничивается размером молекул полимеров или олигомеров, а коэффициент заполнения пор —

Технологии

сухим остатком лака. С точки зрения теории решения изобретательских задач здесь явно видно техническое противоречие.

Если использовать лак с большим сухим остатком, то увеличивается коэффициент заполнения пор, но уменьшается глубина его проникновения из-за большой вязкости. И, наоборот, если использовать сильно разбавленный лак, то увеличивается глубина его проникновения, но уменьшается коэффициент заполнения пор. Такого рода противоречие разрешается разделением противоречивых требований во времени [5]. Первый слой покрытия можно наносить разбавленным лаком, а последующие слои — лаком с увеличивающимся сухим остатком. Положительный эффект от этого решения, к сожалению, не оправдал ожидания.

Идеальным решением поставленной задачи была бы жидкость с черезвычайно высокой диффузионной проницаемостью (что-то вроде воды), способная при последующем отверждении в объеме пор стеклотекстолита на 100 % превращаться в твердый диэлектрик. Для специалиста по химии полимеров задача, поставленная таким образом, не требует долгих размышлений. Достаточно туманных воспоминаний далекой юности о получении на лабораторном практикуме органического стекла полимеризацией метилметакрилата. Можно использовать любую композицию, содержащую как минимум непредельный мономер и инициатор полимеризации. Вопрос состоит лишь в том, что композиция должна обеспечивать максимальный положительный эффект, а обработка ею печатных плат должна быть проста и технологична.

Сама возможность использования полиме-ризационного наполнения диэлектрического основания печатных плат, скорее всего, не воспринималась ранее специалистами всерьез по ряду причин. Во-первых, не вызывает сомнения, что правильнее было бы непосредственно на предприятии-изготовителе получить стеклотекстолит в максимальной степени свободный от дефектов структуры. Во-вторых, практическая реализация такой на первый взгляд простой идеи не так уж и проста. В реальной жизни решение одной задачи всегда влечет за собой появление других, зачастую не менее сложных.

Полимеризационное наполнение можно проводить до монтажа радиоэлементов или после. В первом случае сложно одновременно гарантировать удаление следов композиции с поверхности контактных площадок и металлизированных отверстий и сохранение композиции в поверхностном слое стеклотекстолита для получения положительного эффекта. Опять техническое противоречие! А ведь качество пайки с точки зрения надежности не менее важно, чем влагостойкость. Во втором случае не радует довольно высокая температура полимеризации (больше 60 °С). Как быть с термочувствительными элементами?

Для решения задачи обеспечения гарантированно высокого качества пайки был использован химический эффект, обратный тому, который используется для отверждения

обыкновенной олифы. В закрытой емкости олифа — жидкость. На воздухе она затвердевает. А есть такие композиции, которые на воздухе жидкие, а в закрытой банке затвердевают. Это настоящая находка для практической реализации полимеризационного наполнения. Естественно, путь от идеи до реальной композиции и реальной технологии был неблизкий. Но результаты превзошли все ожидания.

Как и следовало ожидать, простейшая проверка на изменение водопоглощения стеклотекстолита подтвердила эффективность метода полимеризационного наполнения. Чтобы не утомлять читателей излишними подробностями, отошлю желающих с ними познакомиться к статьям [6-9]. Ограничусь лишь некоторыми принципиально важными моментами. Водопоглощение, а следовательно, и пористость уменьшаются у всех стекло-текстолитов, в том числе и у стеклотекстоли-тов с нетрадиционными полимерными связующими (полиимид). Чем хуже стеклотекстолит, тем выше эффект. У отечественных стеклотекстолитов в некоторых случаях водопоглощение уменьшалось в несколько раз. Автоматически полностью или частично устранялись дефекты внешнего вида (проявление и оголение текстуры стеклоткани). Изменение (повышение) уровня сопротивления изоляции при испытаниях на влагостойкость совпадало с приведенной в работе [3] зависимостью сопротивления изоляции стеклотекстолита от его влагосодержания и было тем больше, чем меньше зазор между проводниками. Таким образом, можно сказать, что поставленная задача была успешно решена.

В то же время некоторые результаты, полученные позже, одновременно обрадовали и озадачили. В частности, сравнительно небольшое (примерно на 20 %), но все-таки снижение водопоглощения импортных стеклотекстоли-тов позволило с иной точки зрения посмотреть на реальные возможности разработки, которая изначально планировалась как не более чем ремонтная. Неизвестно, что проще: получить такое снижение при изготовлении диэлектрика, или, используя полимеризационное наполнение, непосредственно в печатной плате. Во всяком случае, напрашивается мысль о том, что появился альтернативный инструмент для создания диэлектриков печатных плат с улучшенными физико-механическими свойствами.

Аномально высокие результаты были получены при использовании разработки для модификации стеклотекстолита в многослойных печатных платах. Сопротивление изоляции в цепях земля—питание, наиболее критичных к воздействию влаги, в результате по-лимеризационного наполнения повышалось в зависимости от исходного уровня в среднем на 2-3 порядка, а в отдельных случаях в 108 раз. Это никак не укладывалось в рамки теоретической модели, согласно которой улучшение электроизоляционных свойств стеклотекстолитов объяснялось только снижением водопоглощения, а снижение водопо-глощения, в свою очередь, уменьшением его капиллярной пористости.

е

Компоненты и технологии, № 4'2002

Экспериментальные исследования системы стеклотекстолит—полимеризационно способная композиция, проведенные с использованием импульсного метода ядерного магнитного резонанса, показали, что на первой стадии по-лимеризационного наполнения происходит не только чисто механическое заполнение микро-и макрополостей, но и диффузия композиции непосредственно в объем эпоксидной полимерной матрицы. Последующая полимеризация композиции в объеме полимерной матрицы стеклотекстолита, приводящая к образованию смесей полимеров типа взаимопроникающих сеток, сопровождается, как известно, неаддитивным «усилением» физико-механических свойств полимерного связующего стеклотекстолита [10]. В процессе полимеризационного наполнения не только устраняются дефектные полости, но и происходит модификация структуры полимерного связующего. Следовательно, получен не просто альтернативный инструмент, а нечто новое, с совершенно новыми возможностями.

Те же самые конструктивно-технологические особенности, которые привели к плачевному результату МПП для супер-ЭВМ, способствуют получению сверхэффекта от технологии полимеризационного наполнения. Технология изготовления многослойных печатных плат предопределяет меньшую и неравномерную степень отверждения эпоксидного связующего в основании, чем у двусторонних печатных плат. С уменьшением степени отверждения и частоты и регулярности полимерной сетки эпоксидной смолы увеличивается относительная доля композиции, проникающей в полимерную матрицу. А расположение слоев земля—питание преимущественно вблизи поверхности для одновременного выполнения функции экрана делает доступным для «усиления» те самые 37 828, а точнее в 2 раза больше, участков между перфорированными слоями и пронизывающими их столбиками металлизированных отверстий.

Догадливый читатель скажет, что еще лучше будет, если «усилить» эти участки непосредственно перед металлизацией стенок отверстий. Полностью с ним согласен. Тем более что такая технология уже отработана. И кроме повышения влагостойкости она позволяет улучшить качество металлизации, выравнивая стенки отверстий, и предотвратить разрывы в металлизации при термоударах [7]. Технология изготовления многослойных печатных плат слож-

Техі

ГИИ

на и многостадийна. Возможностей вмешательства в нее на самых различных стадиях для решения разнообразных задач немало. Представляете себе лицо технолога, держащего в руках многослойную печатную плату размером с поднос, у которой где-то в районе 10 слоя от поверхности просвечивает воздушный пузырь? Используя аналогичные композиции, можно улучшить адгезию между слоями, устранить межслойные расслоения в готовых печатных платах и т. д. [8].

По воле судьбы реальная технология поли-меризационного наполнения отрабатывалась преимущественно на многослойных печатных платах родом из ИТМ и ВТ, правда, предыдущего поколения. Тот же конструктив, те же проблемы, только стоящие не так остро, как сейчас. Технология получилась на удивление проста. Основные операции: пропитка печатной платы, удаление избытка композиции с поверхности, термообработка и финишная отмывка. Причем удаление избытка и отмывка могут проводиться обыкновенной водой. Поскольку работы проводились непосредственно на предприятиях—изготовителях печатных плат и финансировались ими, акцент был сделан на получение максимального экономического эффекта. С этой точки зрения лучшим вариантом был ремонт многослойных печатных плат с пониженным уровнем сопротивления изоляции в цепях земля—питание при испытаниях «на часовую влагу». В общей сложности через руки разработчиков прошло несколько сотен отбракованных МПП, из которых примерно 70 % вернули жизнь. Такие платы успешно прошли периодические испытания по ГОСТ 23752-79 (3-я группа жесткости). Затраты на ремонт не превышают 1 % от стоимости восстановленной печатной платы. По нынешним меркам — это сверхприбыльный бизнес, не уступающий изготовлению и продаже наркотиков. Параллельно с этим удалось «вытащить» несколько партий двухсторонних печатных плат с высокой плотностью монтажа, в том числе печатных плат, изготовленных на импортных стеклотекстолитах.

В заключение хочется отметить, что проблема повышения влагостойкости печатного монтажа является, несомненно, комплексной. Наша технологическая отсталость вопреки формальной логике позволила выйти на нетрадиционное решение одной из сторон этой сложнейшей проблемы. Ремонтный вариант технологии полимеризационного наполнения,

конечно, весьма привлекателен для непосредственных изготовителей печатных плат. И все же мне хочется надеяться, что ее будущее — в освоении технологий изготовления печатных плат сверхвысокой сложности. Почему-то не хочется, чтобы «осциллографом забивали гвозди». Судьба у этой технологии непростая. Ее появление, к сожалению, совпало по времени с коренными изменениями в жизни страны. Потенциальные потребители в последние годы переживали далеко не лучшие времена. Похоже, ситуация начинает изменяться к лучшему. А вынужденная пауза в практическом использовании принципиально новой отечественной технологии, по меньшей мере, не снизила ни ее эффективности, ни тем более актуальности. Автор не видит в настоящее время никаких проблем, препятствующих ее практической реализации и готов обсудить любые варианты сотрудничества как с юридическими, так и с физическими лицами. ИИ

Литература

1. Медведев А. М. Рго^с1гошса-2001. Первые впечатления // Компоненты и технологии. 2002. № 1.

2. Галецкий Ф. П. Технология изготовления двадцатислойных печатных плат с проводниками 100 мкм // Экономика и производство. 2000. № 12.

3. Галецкий Ф. П. Этапы развития печатных плат в ИТМ и ВТ им. С. А. Лебедева // Экономика и производство. 2001. № 1.

4. Медведев А. М. Надежность и контроль качества печатного монтажа. М.: Радио и связь. 1986.

5. Селюцкий А. Б. Правила игры без правил. Петрозаводск: Карелия, 1989.

6. Уразаев В. Г. Новый подход к проблеме улучшения качества печатных плат // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 1992. № 4.

7. Уразаев В. Г. Повышение качества металлизации переходных отверстий печатных плат // Радиопромышленность. 1994. № 4.

8. Уразаев В. Г. Расслоения в подложках печатных плат и методы борьбы с ними // Радио-промышленность.1994. № 4.

9. Уразаев В. Г. Модификация стеклотексто-литов в печатных платах // Радиопромыш-ленность.1994. № 3.

10. Мэнсон Дж., Сперлинг Л. Полимерные смеси и композиты. М.: Химия. 1979.