СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
FABRICATION OF SANDWICHED PCBS

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности к производству многослойных печатных плат (МПП) с высокой плотностью размещения элементов, и может быть использовано при монтаже микросхем с малым шагом в экспериментальном и мелкосерийном производстве.
Из уровня техники известен способ изготовления многослойных интегральных схем и многослойных печатных плат с использованием полимерной подложки (патент RU №2186469, опубликовано 27.07.2002 г., МПК H05K 3/46). Способ включает формирование двусторонних плат с электропереходами, в том числе через металлизированные отверстия в контактных площадках, диэлектрических прокладок с отверстиями, нанесение припоя на контактные площадки, сборку двусторонних плат с электропереходами в пакет и термическое прессование пакета. Перед соединением двусторонних плат с электропереходами в пакет создают электрически связанные с проводниками схемы контактные площадки без отверстий, расположенные над или под контактными площадками без отверстий смежной платы, наносят припой на данные контактные площадки, собирают и термически прессуют пакет двусторонних плат с электропереходами. При этом контактные площадки без отверстий смежных двусторонних плат с электропереходами соединяются между собой, образуя вертикальные электропереходы с одной двусторонней платы с электропереходами на другую.
К недостаткам данного способа изготовления многослойных печатных плат можно отнести недостаточную надежность изготовленных указанным способом многослойных печатных плат.
Известен способ изготовления многослойного модуля печатных плат с высокой плотностью размещения элементов (патент RU №2279770, опубликовано 10.07.2006 г., МПК H05K 3/46). Способ включает подготовку двусторонней подложки с печатными схемами и металлизированными сквозными отверстиями, плотное присоединение с одной стороны подложки, посредством жидкого эпоксидного клеящего материала двухэтапного отверждения дополнительного слоя, сформированного в виде пленки из полиимидной смолы, одна сторона которой содержит металлическое покрытие, причем указанный слой присоединяют неметаллизированной стороной пленки из смолы. Осуществляют избирательное вытравливание указанного металлического покрытия дополнительного слоя, для удаления металла в заданных местах для формирования микроотверстий напротив расположенных под ними металлизированных областей подложки. Производят анизотропное химическое формирование сквозных микроотверстий через указанную пленку путем погружения указанной пленки в статическую ванну водного раствора этилендиамина с добавлением гидроокиси калия в количестве, пропорциональном толщине пленки из полиимидной смолы и поперечному размеру микроотверстий, при температуре, по меньшей мере 25°C, с последующей промывкой с использованием моющего средства. Удаляют слой клеящего материала, остающегося на дне микроотверстий, проходящих через пленку, путем распыления на него растворителя, так, что микроотверстия проходят до расположенных под ними металлизированных областей подложки. Осуществляют металлизацию указанных микроотверстий так, что формируемый в них слой металла находится в электропроводном контакте с вышеуказанными, расположенными под ними металлизированными областями и с внешним металлическим покрытием указанного слоя. Производят избирательное вытравливание указанного металлического покрытия для формирования на нем печатных схем, находящихся в электропроводном контакте с указанными металлизированными микроотверстиями.
К недостаткам данного способа изготовления многослойных печатных плат можно отнести высокую плотность межсоединений.
Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления многослойных печатных плат (патент RU №2474985, опубликовано 10.02.2013 г., МПК: Н05К 3/46). Способ изготовления многослойных печатных плат путем сборки в пакет n одно- или двусторонних печатных плат с выполненными в них металлизированными отверстиями и n-1 слоев склеивающих прокладок между соединяемыми печатными платами, последующего вакуумного горячего прессования пакета с образованием межслойного соединения контактирующих между собой металлизированных отверстий отдельных печатных плат. При этом перед сборкой пакета металлизированные отверстия плат заполняют вулканизирующимся в процессе прессования наполнителем, который после прессования удаляют из сквозных отверстий.
К недостаткам данного способа изготовления многослойных печатных плат можно отнести невозможность его использования при изготовлении уникальной аппаратуры с высокой надежностью.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в снижении плотности межсоединений и повышении их надежности при изготовлении многослойных печатных плат.
Технический результат достигается тем, что способ изготовления многослойных печатных плат включает изготовление двусторонних или односторонних печатных плат, изготовление слоев склеивающих прокладок, сборку печатных плат в пакет с размещением между соединяемыми печатными платами склеивающих прокладок, последующего вакуумного горячего прессования пакета. При этом он отличается от прототипа тем, что в печатных платах выполняют глухие переходные отверстия, размещаемые непосредственно под контактными площадками выводов элементов, металлизируют их и заращивают медью. Осуществляют подготовку поверхности, нанесение рисунка топологии каждого слоя. При этом сборку печатных плат в пакет осуществляют последовательным послойным наращиванием на основу последующих слоев. После сборки и прессования многослойной печатной платы выполняют сквозные переходные металлизированные отверстия и нанесение рисунка внешних слоев.
Для современных сложных электронных устройств характерной особенностью является применение микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции. Поэтому все большую популярность получают компоненты в матричных типах корпусов. Это корпуса типа LGA (Land Grid Array), BGA (Ball Grid Array), CGA (Column Grid Array). BGA корпуса позволяют оптимальным образом разместить большое количество выводов на ограниченной площади, обеспечивая все необходимые технологические нормы при монтаже. Небольшие размеры, особенно в случае применения микросхем с малым шагом, снижают затраты на их производство. Расположение всех выводов в одной плоскости, с нижней стороны корпуса BGA, позволяет получить длину цепей более короткую, чем у микросхем, имеющих другие конструктивные исполнения. Это приводит к снижению паразитных излучений и, как следствие, положительно сказывается на целостности сигналов.
При изготовлении уникальной аппаратуры с высокой надежностью основной задачей разработчиков многослойных печатных плат является снижение плотности межсоединений при их изготовлении, что дает возможность разместить электрическую схему на печатной плате с меньшими габаритными размерами, использовать микросхемы BGA с меньшим шагом, снизить слойность печатной платы, повысить надежность межсоединений, избежать замыканий при установке планарных микросхем и микросхем BGA с использованием поверхностного монтажа.
Решение поставленной задачи в данном изобретении достигается за счет смещения переходных отверстий непосредственно под контактные площадки выводов микросхем, с последующим заращиванием их медью. При использовании данного способа изготовления многослойных печатных плат применяется технология послойного наращивания на печатную плату (основу) последующих слоев.
Сущность полезной модели поясняется рисунками Фиг. 1-Фиг. 6.
На Фиг. 1 изображена многослойная печатная плата для размещения микросхемы BGA с переходными отверстиями (вид сверху).
На Фиг. 2 изображена многослойная печатная плата для размещения микросхемы BGA с переходными отверстиями (в разрезе).
На Фиг. 3 изображена предлагаемая многослойная печатная плата для размещения микросхемы BGA с глухими отверстиями под контактными площадками (вид сверху).
На Фиг. 4 изображена предлагаемая многослойная печатная плата для размещения микросхемы BGA с глухими отверстиями под контактными площадками (в разрезе).
На Фиг. 5 изображена последовательность сборки пакета четырехслойной печатной платы с глухими межслойными переходными отверстиями с первого на третий слой и сквозными отверстиями с первого на четвертый слой.
На Фиг. 6 изображен разрез четырехслойной печатной платы с глухими межслойными переходными отверстиями с первого на третий слой и сквозными отверстиями с первого на четвертый слой.
Предлагаемый способ может быть использован в экспериментальном и мелкосерийном производстве для установки микросхем с малым шагом, при изготовлении многослойных печатных плат (МПП).
Способ изготовления многослойных печатных плат включает следующие этапы. Сначала изготавливают основу многослойной печатной платы (например, известным способом фотолитографии), в виде двусторонней печатной платы, содержащей слои диэлектрического материала 1, на двух сторонах которого расположены слои проводящего материала 2, а также контактные площадки 3 выводов элементов для осуществления электрических соединений между элементами печатной схемы, расположенные в заданных координатах на поверхности основы МПП. Изготавливают последующие слои МПП в виде печатных плат, каждая из которых содержит слой диэлектрического материала 1, на одной стороне которого расположен слой проводящего материала 2. Подготавливают прокладки 4 для разделения соседних слоев с рисунками печатных схем МПП. Осуществляют сборку печатных плат в пакет методом послойного наращивания последующих слоев на основу с размещением между соединяемыми печатными платами прокладок 4, с последующим вакуумным горячим прессованием МПП. После чего выполняют сквозные переходные металлизированные отверстия 5 для создания межслойных электрических соединений в контактных площадках всех слоев. Наносят рисунок внешних слоев.
При изготовлении МПП, как в печатной плате основы (в соответствии со схемой), так и в печатных платах последующих слоев, наращиваемых на основу МПП, производят сверление глухих переходных отверстий 6. Глухие переходные отверстия 6 предназначены для соединения наружного слоя с одним или несколькими внутренними слоями МПП.
Устанавливать переходные отверстия можно разными способами, но наиболее эффективным и часто используемым является установка переходных отверстий по диагонали от контактных площадок для выводов элементов (Фиг. 1, Фиг. 2). Причем для больших BGA микросхем (>600 выводов) рекомендуется выводить переходные отверстия с каждой стороны платы в разные стороны для уменьшения дефектов при монтаже (Технологии в производстве электроники. Часть III. Гибкие печатные платы / Под общ. ред. A.M. Медведева и Г.В. Мылова. - М.: "Группа ИДТ", 2008. - 488 с.).
В предлагаемой многослойной печатной плате глухие переходные отверстия 6 в печатной плате основы выполняют непосредственно под контактными площадками 3 выводов элементов (Фиг. 3, 4). Осуществляют химическое меднение глухих переходных отверстий 6. Производят заращивание глухих переходных отверстий 6 медью 7. Осуществляют удаление лишней меди с поверхности основы МПП на установке механической зачистки поверхности. Получают токопроводящий рисунок схемы.
При этом в конкретных платах последующих слоев производят сверление глухих переходных отверстий 6 в области размещения контактов элементов. Осуществляют их химическое меднение. Производят заращивание глухих переходных отверстий 6 медью 7. Осуществляют лазерное снятие лишней меди с МПП.
Таким образом, за счет смещения переходных отверстий непосредственно под контактные площадки выводов элементов (например, микросхем BGA) и заращивания их медью полностью устранены короткие замыкания между токоведущими элементами МПП в процессе пайки, снижена плотность межсоединений, повышена их надежность. Предлагаемый способ изготовления многослойных печатных плат позволяет значительно снизить плотность межсоединений и повысить их надежность, что в свою очередь, дает возможность уменьшить габариты и число слоев многослойных печатных плат, избежать замыканий при установке с использованием поверхностного монтажа микросхем с планарными выводами и микросхем с малым шагом. Использование метода послойного наращивания позволяет получить высокую плотность размещения проводников во всех слоях печатной платы и очень высокую плотность монтажа.
В качестве примера рассмотрим способ изготовления четырехслойной печатной платы для установки микросхемы BGA, с глухими межслойными переходами с первого на третий слой и сквозными переходными отверстиями с первого на последний слой. Формирование данной печатной платы осуществляют методом фотолитографии на фольгированных подложках. На начальном этапе изготавливают основу 8 многослойной печатной платы, состоящую из слоев, не содержащих глухих переходных отверстий (третий и четвертый слои на Фиг. 5). Затем изготавливают второй слой МПП, включающий диэлектрический материал 1 и проводник 2. Осуществляют сборку в пакет путем напрессовки второго слоя через прокладку 4 на основу МПП 8, методом послойного наращивания. Во втором слое выполняют глухие переходные отверстия 6 на глубину, под контактными площадками 3 для распайки микросхем BGA. Производят заращивание глухих переходных отверстий 6 медью 7 (Фиг. 6). Осуществляют механическую подготовку поверхности, нанесение рисунка топологии второго слоя. Аналогично второму слою изготавливают первый слой и через прокладку 4 напрессовывают его на заготовку, содержащую второй, третий и четвертый слои. Выполняют во втором слое глухие переходные отверстия 6 на глубину в области размещения контактных площадок 3, заращивают их медью 7. Осуществляют подготовку участков в областях контактных площадок 3 микросхем на установке лазерной подготовки поверхности. Производят вакуумное горячее прессование пакета собранных печатных плат. Осуществляют сверление сквозных переходных отверстий 5 в собранной МПП, их металлизацию, и нанесение рисунка внешних слоев (первого и четвертого).
Результатом использования данного технического решения является заполнение освобожденных от переходных отверстий мест между контактными площадками выводов микросхемы BGA элементами токопроводящего рисунка. Зарощенное переходное отверстие будет выполнять роль контактирующего элемента с выводом элемента (микросхемы BGA) и одновременно обеспечивать межслойную связь с другими элементами схемы.
Таким образом, снижение плотности межсоединений многослойной печатной платы, за счет смещения переходных отверстий под контактные площадки выводов элементов (микросхем BGA) и заращивания их медью, дает возможность разместить электрическую схему на печатной плате с меньшими габаритными размерами, использовать микросхемы BGA с меньшим шагом, снизить слойность печатной платы, повысить надежность межсоединений, избежать замыканий при установке планарных микросхем и микросхем BGA с использованием поверхностного монтажа, полностью устранить короткие замыкания между токоведущими элементами МПП в процессе пайки.