Способ изготовления высокочастотных печатных плат
METHOD FOR MANUFACTURING HIGH-FREQUENCY PRINTED CIRCUIT BOARDS

Изобретение относится к области радиоэлектронного машиностроения и может быть использовано при изготовлении печатных плат различной радиоэлектронной аппаратуры и радиоэлектронных устройств ответственного и бытового назначения, включая высокочастотную радиоэлектронную аппаратуру космических аппаратов, работающую при воздействии условий космического пространства, с большими сроками активного существования, и направлено на оптимизацию конструкции радиоэлектронной аппаратуры, улучшение габаритно-массовых показателей и технологичности в производстве современных образцов космической техники. Изобретение может быть использовано и в других областях техники, где изготавливают и применяют радиоэлектронную аппаратуру с заданными радиотехническими характеристиками и уменьшенными затратами при производстве.
Известен способ изготовления двусторонней печатной платы (ПП) по патенту RU 2138931 C1, путем выполнения на пластине из нефольгированного диэлектрика углублений для переходных отверстий, а также рисунка углублений с плоским дном для проводников и контактных площадок (КП) методом механического фрезерования с последующей металлизацией с двух сторон полученной заготовки слоем меди и формированием заданной конструктивной и электрической структуры платы.
Недостатком способа является то, что для формирования печатных проводников ПП и КП ПП применяют метод механического фрезерования с последующей металлизацией с двух сторон полученной заготовки слоем меди, что требует применения высокоточного дорогостоящего оборудования. При этом требования к радиотехническим характеристикам (РТХ) ПП, выполненных указанным способом не предъявляются.
Известен способ изготовления ВЧ ПП по патенту RU 2572359 C2, при котором ПП изготавливаются методом нанесения на изоляционную поверхность подложки слоя металлокомплексного соединения в виде тонкой пленки из раствора или испарением в вакуумной камере (возгонкой) из твердой фазы с последующим лазерным формированием рисунка проводников и КП ПП. После окончания цикла лазерного сканирования оставшееся металлоорганическое соединение удаляют методом промывания подложки растворителем.
К недостаткам способа следует отнести принципиальную невозможность создания КП для монтажа электрорадиоизделий (ЭРИ) на части ВЧ ПП, отвечающих за обеспечение требуемых РТХ на экранах, полигонах, шинах питания, полосковых линиях и других участках ПП, с целью обеспечения возможности монтажа выводов ЭРИ и предотвращения растекания припоя (паяльной пасты) по поверхности медной фольги при пайке, что ухудшает РТХ ВЧ ПП, вызывает необходимость в дополнительном нагреве области пайки выводов ЭРИ на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики ПП.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является общеизвестный способ изготовления ПП (авт. св. СССР №558431, H05K 3/06, 1977), включающий формирование топологического рисунка проводников и КП ПП на медной фольге методом фотолитографии с использованием фотошаблона и последующим травлением рисунка проводников и КП ПП в травильном растворе. КП – часть проводящего рисунка ПП, используемая для электрического подсоединения устанавливаемых изделий электронной техники, квантовой электроники и электротехнических изделий. Контактная площадка ПП физически представляет собой участок медной фольги ПП определенного размера, геометрически соотносящегося с размерами вывода (как правило, прямоугольной или круглой формы) конкретного ЭРИ, вытравленный в травильном растворе. Форма КП ее размеры, способ соединения КП с проводящим рисунком влияют на РТХ. Известный способ принят в качестве прототипа.
К недостаткам данного способа формирования КП следует отнести принципиальную невозможность создания КП на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики ПП, с целью припаивания выводов ЭРИ к ПП и обеспечения заданных радиотехнических характеристик. Отсутствие таких КП увеличивает неоднородности на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики ПП, увеличивает потери сигнала, ухудшает РТХ. При припаивании выводов ЭРИ к полигону ВЧ ПП, шине питания ВЧ ПП без КП припой (паяльная паста) растекается по финишному покрытию ПП (медной фольге), галтели в зоне пайке выводов ЭРИ не образуются, что снижает механическую прочность соединений, наличие припоя в местах для этого не предназначенных ухудшает РТХ, пайка на сплошной полигон требует дополнительного нагрева области пайки выводов ЭРИ. Способ обладает повышенной сложностью и трудоемкостью при изготовлении, приводит к увеличению цикла изготовления электронных модулей, увеличивает расход электрической энергии в производственном процессе; увеличение времени пайки снижают ресурс и надежность платы.
Для заявленного способа выявлены основные общие с прототипом существенные признаки: способ изготовления ВЧ ПП, включающий формирование топологического рисунка проводников на фольгированном материале методом фотолитографии, с использованием фотошаблона.
ВЧ ПП кроме обычных электрических характеристик должна обеспечивать требуемые РТХ, т.е. заданное волновое сопротивление, заданный коэффициент стоячей волны, потери и другие высокочастотные параметры, обеспечить качественный монтаж ЭРИ (высокий ресурс, надежность, длительный срок эксплуатации соединений).
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание нового способа изготовления ВЧ ПП, позволяющего создать КП для припаивания выводов ЭРИ к ПП на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики, отличающегося простотой, технологичностью и надежностью при обеспечении заданных РТХ.
Техническая проблема решается за счет того, что в известном способе изготовления высокочастотных печатных плат, включающем формирование топологического рисунка проводников на фольгированном материале методом фотолитографии с использованием фотошаблона, согласно заявленному изобретению в печатных платах, содержащих участки, обеспечивающие радиотехнические характеристики, часть контактных площадок, предназначенных для монтажа ЭРИ, выполняют с помощью фотопроявляемой защитной паяльной маски (ЗПМ) без травления рисунка КП, для чего на поверхность ПП наносят ЗПМ, с помощью дополнительного фотошаблона с рисунком КП осуществляют экспонирование ЗПМ, ее последующее проявление и образование КП на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики ПП с обеспечением требуемых радиотехнических характеристик. При этом в качестве ЗПМ возможно использовать или жидкую, или твердую, или термоотверждаемую, или УФ-отверждаемую ЗПМ, а также их различную комбинацию.
Сущность изобретения.
При изготовлении ВЧ ПП контактные площадки, которые должны быть расположены на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики ПП и предназначенных для монтажа ЭРИ, формируются не с помощью фотошаблона и последующего травления фольгированного материала (например, стеклотекстолита с припрессованной медной фольгой) в травильном растворе, а с помощью фотопроявляемой защитной паяльной маски, наносимой на поверхность ПП. При этом в ЗПМ с помощью дополнительного фотошаблона путем экспонирования и последующего проявления формируются окна с отсутствием ЗПМ. Контуры, форма окон в ЗПМ и их расположение должны соответствовать размерам мест установки выводов ЭРИ с учетом заполнения КП необходимым количеством припоя (паяльной пасты) для образования галтелей на выводах ЭРИ и обеспечения высоконадежных паяных соединений. В качестве ЗПМ может использоваться, например, двухкомпонентная термоотверждаемая жидкая сеткографическая фотопроявляемая защитная паяльная маска, или подобные ей материалы, как твёрдые, так и жидкие, а также отверждаемые ультрафиолетовым (УФ) излучением. Выбор ЗПМ зависит от технических требований к ПП. Контактные площадки ПП, сформированные с помощью ЗПМ на медной фольге, в процессе монтажа ЭРИ (при пайке выводов) препятствуют растеканию припоя (паяльной пасты) за границы рисунка ЗПМ, препятствуют смещению выводов ЭРИ относительно контактных площадок ПП за счет удержания выводов ЭРИ силами поверхностного натяжения припоя (паяльной пасты) ЭРИ в зонах окон (контактных площадок) ЗПМ, предупреждают эффект типа «надгробного камня» за счет улучшения смачивания припоем (паяльной пастой) КП ПП, способствуют образованию галтелей на выводах ЭРИ, образуя высоконадежные паяные соединения. Кроме того, при таком способе организации КП ПП, становится возможен монтаж развязывающих ЭРИ в цепях, электрически между собой не связанных (шины питания, полигоны и др.).
В качестве примера ниже приведен способ изготовления ВЧ ПП (в отличающейся от прототипа части) с применением конкретных параметров в виде последовательности технологических операций. В качестве ЗПМ может быть использована двухкомпонентная термоотверждаемая жидкая сеткографическая фотопроявляемая защитная паяльная маска:
1. Приготовление ЗПМ: выдержка ЗПМ в нормальных условиях (НУ) и перемешивании ЗПМ до состояния требуемой вязкости, выполняется при неактиничном освещении;
2. Изготовление дополнительного фотошаблона для нанесения рисунка КП на ЗПМ;
3. Нанесение ЗПМ толщиной 18-20 мкм на поверхность ПП, выполняется при неактиничном освещении;
4. Сушка ПП с ЗПМ в термошкафу при температуре плюс 75-80 °С в течение 40 мин, выполняется при неактиничном освещении;
5. Охлаждение ПП с ЗПМ до НУ;
6. Экспонирование ЗПМ с использованием дополнительного фотошаблона, выполняется на установке экспонирования при актиничном освещении в течение 40-50 с;
7. Проявление ЗПМ, выполняется в установке проявления при неактиничном освещении;
8. Промывка ПП, и удаление проявленных участков ЗПМ;
9. Контроль качества КП, сформированными ЗПМ. Ретуширование КП при необходимости (при обнаружении дефектов);
10. Задубливание ЗПМ в термошкафу при температуре 150±5 °С;
11. Охлаждение ПП с ЗПМ до НУ;
12. Контроль качества КП, сформированными ЗПМ;
13. Упаковывание готовой ПП.
Таким образом, способ изготовления ВЧ ПП позволяет изготовить ВЧ ПП с требуемыми РТХ, например, с заданными волновым сопротивлением, коэффициентом стоячей волны, потерями и другими ВЧ параметрами без травления рисунка КП в травильном растворе; сформировать на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики ПП, контактные площадки для монтажа выводов ЭРИ и выполнить последующий монтаж поверхностно-монтируемых ЭРИ на таких КП без растекания припоя (паяльной пасты) за пределы КП по поверхности таких участков, обеспечивающих радиотехнические характеристики: полигонов, шин питания, с минимизацией смещения выводов ЭРИ относительно границ КП ПП и предупреждением эффекта типа «надгробного камня», проявляющегося при плохом смачивании припоем (паяльной пастой) КП ПП или выводов ЭРИ, без дополнительного нагрева зоны пайки, что позволяет сформировать высоконадежное паяное соединение выводов ЭРИ и КП ПП при соблюдении требуемых РТХ, снизить время температурного воздействия на ПП.