realizarea cablajelor imprimate

Tehnologie electronică. Capitolul 1

1.3. Tehnologia cablajelor imprimate 1.3.1. Istoric. Generalităţi De al începuturile electronicii, dezavantajele cablajelor cu fire au determinat încerc ări de realizare a conexiunilor într-o singur ă etapă, prin procedee mai bune. Inc ă din 1906, T.A. Edison propune realizarea conductoarelor sub form ă de benzi metalice, ob ţinute prin depuneri de pulberi pe suport izolant urmate de ardere. Prin 1930, la firma Hesho Werken (Hermsdorf, Germania), se realizau conexiuni prin depuneri de s ăruri de argint pe pl ăcuţe ceramice; prin ardere se ob ţieau conductoare peliculare din argint, foarte aderente la suport. Din aceast ă perioadă datează denumirea de conductor imprimat . Toate procedeele inventate pân ă prin 1940 sau dovedit inaplicabile în practic ă. Tehnica cablajelor imprimate se dezvolt ă după ce în 1943, Eisler, în Anglia, brevetează primul procedeu de fabricare a cablajelor imprimate aplicabil în practic ă, prin corodarea chimică a unei folii de cupru lipit ă pe suport izolant. Inven ţiile lui Eisler stau la baza majorităţii tehnologiilor actuale de fabrica ţie a cablajelor imprimate. Destul de curios, ideile lui Eisler au cunoscul o mare r ăspândire abia dup ă 1952 – 1953, dar în prezent probabil c ă nu există echipamente electronice care s ă nu foloseasc ă cablaje imprimate. Prin cablaj imprimat se înţelege un ansamble de conductoare de conexiune plasate în unul, două sau mai multe planuri paralele, fixate pe un suport rigid sau flexibil şi formând un ansamblu. Conductoarele, realizate sub form ă de benzi sau suprafe ţe metalice, se numesc conductoare imprimate . Prin circuit imprimat , se în ţelege de obicei, ansamblul suport izolant, conductoarele imprimate şi componente fixate definitiv pe suport. Adesea, no ţiunile de cablaj imprimat şi circuit imprimat, se confund ă. Tehnologia cablajelor imprimate are numeroase şi importante avantaje, printre care: asigur ă un grad de compactizare ridicat; se reduce volomul si dificultatea opera ţiilor de montare şi asamblare, care pot fi com plet automatizate; asigur ă o mare reproductibilitate în dispunerea pieselor şi conductoarelor de conexiune, ceea ce simplific ă enorm relgajele, acord ările şi permite controlul cuplajelor parazite; identificarea pieselor şi traseelor este u şoar ă şi se simplifică depanarea; consumul de cupru se reduce drastic, conductoarele putând fi dimensionate în func ţie de cerinţele electrice (intensitate curent, inductan ţă şi rezistenţă etc.); fiabilitatea şi mentenabilitatea produselor sunt ridicate; costurile sunt reduse. Singurul dezavantaj – dac ă se poate vorbi despre a şa ceva, este c ă, pentru a pune în valoare avantajele, execu ţia trebuie f ăcută pe maşini, în sistem industrial; realizarea artizanal ă (manuală) nu este corespunz ătoare, cu excep ţia unor cablaje simple, de exemplu pentru teste. In prezent, progresele tehnologice au determinat: ieftenirea cablajelor, a c ăror utilizare şi în montaje experimentale a devenit o practic ă curentă; diversificarea tipurilor de cablaje imprimate (flexibile, multistrat), a tehnologiilor de asamblare (asamblarea cu piese montate pe suprafa ţă); extinderea tehnologiilor specifice cablajelor imprimate la realizarea unor componente imprimate (rezistoare, (rezistoare, bobine, condensatoare), a unor componente precum şi în alte domenii (bobinaje pentru motoare electrice miniatur ă, suspensii şi arcuri pentru mecanisme fine etc.) In fig. 1.9 sunt prezentate numai câteva dintre utiliz util iz ările actuale ale cablajelor imprimate. • •

•

• •

• •

•

•

•

8


a

b

c rotor

miez magnetic bobinaj

d

e

Fig. 1.9. Utilizări ale cablajelor imprimate: a – cablaj imprimat pentru montaje electronice; b – condensator imprimat; c – bobine imprimate; d – elenment de comutator rotativ; e – micromotor cu rortor pe cablaj imprimat

Diversitatea cablajelor este foarte mare şi clasificările se pot face din mai multe puncte de vedere. După însuşirile mecanice ale suportului izolant, exist ă cablaje pe suport rigid şi pe suport flexibil. După numărul de plane în care se afl ă conductoarele, exist ă cablaje monostrat, dublu strat şi multistrat. După modul de realizare a contactelor dintre conductoarele aflate în plane diferite, există cablaje cu g ăuri nemetalizate şi cu găuri metalizate. După tehnologia de fabrica ţie, există: ► Cablaje realizate prin tehnologii subtractive , în care, plecând de la un suport izolant placat cu folie de cupru, conductoarele se ob ţin prin îndepărtarea metalului în regiunile care trebuie s ă fie electroizolante. Aceste tehnologii sunt cele mai utilizate ► Cableje ralizate prin tehnologii aditive, în care conductoarele se ob ţin prin depunere de metal pe suprtul izolant. ► Cablaje realizate prin tehnologii de sintez ă, în care conductoarele şi izolantul intermediar se obţin prin depuneri succesive de metal şi dielectric. In fig. 1.10. sunt prezentate câteva dintre cele mai folosite tipiri de cableje imprimate. •

•

•

•

a

suport izolant

b conductoare imprimate

c

d

e

f

suport izolant flexibil

Fig. 1.10. Tipuri de cablaje imprimate: a, b – mono şi duble strat cu găuri nemetalizate; c, d – dublu şi multistrat cu găuri metalizate; e – calbaj realizat prin tehnologie de sinteză; f – cablaj flexibil 9


1.3.2. Materiale pentru cablaje imprimate

În general, un cablaj imprimat include: suportul izolant, conductoarele imprimate, pelicule de acoperire şi protecţie, eventual adezivi. 1.3.2.1. Materiale pentru suporturi izolante

Suporturile izolante trebuie s ă satisfacă un număr mare de cerinţe generale, cum sunt: propriet ăţ i electrice bune şi stabile: rezistivitate de volum şi suprafaţă mari, pierderi (tg δ) mica, permitivitate (εr ) mică, rigiditate dielectrică mare, ...; propriet ăţ i mecanice bune şi stabile : rezistenţă la solicitări mecanice, posibilitate de prelucrare prin t ăiere, ştanţare, aşchiere, etc.; trebuie avut în vedere c ă solicitările mecanice sunt preluate în totalitate de suport, conductoarele imprimate neavând rezisten ţă mecanică; stabilitate dimensional ă şi a tuturor însu şirilor , în timp şi la acţiunea factorilor de mediu (temperatur ă, umiditate, şocuri, vibraţii, substanţe chimice, ...) neinflamabilitate (unele norme impun şi autostingerea), rezisten ţă la temperatura de lipire, absorbţie şi adsorbţie a apei minime; pre ţ de cost redus. Pentru suporturile cablajelor flexibile se mai impun: flexibilitate bun ă (rază de curbur ă minimă sub 1-3 mm); coeficient de alungire la întindere cât mai mic (conductoarele de cupru nu suport ă decât alungiri foarte mici); rezisten ţă la rupere mare . În prezent, pentru suporturi se folosesc: materiale stratificate, folii de mase plastice termoplaste şi termorigide şi materiale ceramice. Materialele stratificate sunt cele mai folosite pentru suporturi rigide, în tehnologii substractive şi aditive. Acestea se fabric ă dintr-un material de baz ă în starturi (hârtie, ţesătur ă din fibre de sticl ă) impregnate cu materiale de umplutur ă (lianţi, r ăşini) şi tratate termice sub presiune. În cazul semifabricatelor placate, înainte de tartare termic ă, se execut ă acoperirea cu folii de cupru pe una din ambele fe ţe. Stratificatele se livreaz ă sub formă de plăci, cu dimensiuni maxime de 2000x2000 mm. Grosimile pl ăcilor sunt de 0.5 ... 3.2 mm; pentru cablaje mono şi dublu start grosimile uzuale sunt de 1.2 – 1.8 mm. Abaterile admise în grosime sunt mici ± 0.05 ... ± 0.1 mm. Principalele materiale stratificate şi caracteristici sunt indicate în tabelele 1.3 şi 1.4 •

•

•

•

•

• •

•

Tabel 1.3 Principalele materiale stratificate Material de bază 1.

Hârtie (folii)

2. Fibr ă de sticlă (ţesătur ă) 3. Fibr ă de sticlă (ţesătur ă) 4. Fibr ă de sticlă (ţesătur ă) 5. Fibr ă de sticlă (ţesătur ă) 6. Fibr ă de sticlă (ţesătur ă)

Material de umplutur ă

Caracteristici

Material standard pentru solicitări obişnuite în aparatura de larg consum, ieftin Material standard pentru aparatura profesională. R ăşini epoxidice Însuşiri net superioare pertinaxului, mai scump Excelente proprietăţi mecanice, rezistent la R ăşini melaminice frecare, folosit pentru elemente de comutatoare Excelentă comportare la temperaturi joase şi R ăşini siliconice înalte şi la frecvenţe mari, scump Bune însuşiri electrice, calităţi mecanice medii, R ăşini poliesterice preţ mediu Însuşiri electrice şi termice excelente, calităţi Politetrafluoretilenă mecanice mai puţin bune. Aderenţă redusă a (PTFE – Teflon) conductoarelor la suport R ăşini fenolice

10

Observaţii Pertinax. Foarte utilizat Sticlotextolit Foarte utilizat Rar utilizat Rar folosit Destul de rar folosit Foarte scump Rar folosit


Cablaje cu găuri metalizate se fabric ă numai din materiale cu ţesătur ă din fibr ă de sticlă, uzual sticlotextolit. În compozi ţia r ăşinii, de regul ă, se introduc şi cantităţi mici de materiale de adaos, pentru îmbun ătăţirea unor propriet ăţi (de exemplu pentru neinflamabilitate şi autostingere). Tabel 1.4 Unele propriet ăţi ale materialelor stratificate pentru suporturi izolante Material de bază: Hârtie (folii) R ăşină: Proprietate Rezistivitatea de volum ( ρ) Rigiditatea dielectrică ( E str ) Permitivitate relativă (εr ) Factor de pierderi (tg δ la 1 MHz)

Fibr ă de sticlă Fibr ă de sticlă Fibr ă de sticlă Fibr ă de sticlă

fenolică (Pertinax)

epoxidică (Sticlotextolit)

PTFE (Teflon)

siliconică

poliesterică

Unitate

3 10 7

10 6

10 8

10 6

10 5

Ω/m

10 10 6

15 10 6

10 10 6

10 10 6

15 10 6

V/m

4.5

5

2.5

5

5

0.05

0.02

0.0004

0.01

0.075

⋅

⋅

⋅

⋅

⋅

⋅

Rezistenţa la kN/m 450 1350 450 770 1800 alungire Rezistenţa la kN/cm2 680 1800 400 770 2040 îndoire Rezistenţa la kN/cm2 360 540 340 540 900 forfecare % Absorbţia de apă 0.4 0.1 0.02 0.3 0.8 3 3 3 3 3 Densitatea kg/cm3 1.3 10 1.8 10 2.2 10 1.75 10 1.9 10 Prelucrabilitatea Bună Bună Slabă Slabă pe maşini unelte Conductivitatea W/s·K 0.19 0.3 0.063 0.3 30 termică Căldura specifică 1.670 1.570 0.840 1.050 1.250 kJ/kg·K Coeficient de 1/103K 1 0.75 2 0 dilatare (la 25 C ) Efectele acizilor Făr ă efecte Făr ă efecte Făr ă efecte Făr ă efecte Făr ă efecte slabi Efectele acizilor Slabe Slabe Atacat Uşor atacat Uşor atacat tari Efectele alcaliilor Slabe Slabe Făr ă efecte Slabe Slabe slabi Efectele acizilor Atacat Atacat Atacat Atacat Atacat tari Efectele solvenţilor Făr ă efecte Slabe Făr ă efecte Atacat Slabe organici Temperatura o C maximă la 100 120 200 250 120 prelucrare Proprietăţile suporturilor depind destul de mult de tehnologia de fabricaţie (temperatur ă, presiune, etc.) şi de materiale de adaos. Valorile indicate mai sus sunt medii. STAS 7153-83 specifică grosimile nominale ( g m) şi toleranţele (t ) grosimilor, pentru plăci de cablaj imprimat din pertinax şi sticlotextolit, placate cu folie de cupru cu grosime nominală de 35µm. Grosimile sunt: g m(mm) ≈ 0.20; 0.25; 0.40; 0.50; 0.65; 0.80; 1.00; 1.20; 1.60; 2.00; 2.40; 4.20; 6.40.Toleranţele, specifice pentru g m ≥ 0,50mm, sunt între ±0,06 – ±0,56mm (mai mari la grosimi mai mari). ⋅

⋅

⋅

⋅

⋅

Suporturile ceramice se fabrică din pastă de oxizi de aluminiu şi beriliu, coapt ă la temperaturi peste 1000ºC şi au foarte bune propriet ăţi electrice şi termice, rezistenţă mecanică mare la întindere şi presare, dar nu rezist ă la îndoire şi la şocuri (sunt casante). Suporturile

11


ceramice se produc sub form ă de plăcuţe de maximum 100x100mm, cu grosimi de 0,8 –3mm şi se folosesc cu prec ădere pentru cablaje realizate prin tehnologii de sintez ă. Suporturile pentru cablaje flexibile se realizeaz ă din materiale stratificate, din mase plastice termoplaste (rar) sau termorigide, sub form ă de folii cu grosimi de 0,5 – 1,5mm. Foliile stratificate se fac din ţesătur ă din fibre de sticl ă foarte rar ă, impregnată cu r ăşină epoxidică şi au flexibilitatea destul de bun ă (raza minimă de curbur ă circa 2mm). Dintre masele plastice termorigide, des folosite sunt poliimidele (Kapton), cu bune însu şiri electrice (εr = 3,3 –3,7, tg δ = 0,008), termice (rezistă la peste 400ºC) şi mecanice (comparabile cu ale foliilor stratificate cu r ăşină epoxidică), asigurând o bun ă aderenţă a conductoarelor. Mai rar se folosesc foliile din Teflon (politetrafluoretilenă – PTFE). Dintre masele plastice termoplaste, se utilizează poliamidele şi poliesteri (PETP – Mylar, ..) 1.3.2.1. Materiale pentru conductoare imprimate

Pentru conductoare imprimate, de departe cel mai utilizat material este cuprul cu puritate electrotehnică (peste 99,5 %). Mult mai rar se folose şte argintul (în tehnologii de sinteză). Alte metale sunt practic neutilizate (exceptând cazul tehnologiei purilor sub ţiri). Foaia de cupru pentru acoperirea semifabricatelor placate are grosimi de 5 ... 100µm, dar grosimea cea mai utilizat ă este în jur de 35µm; grosimile mai mici nu asigur ă rezistenţa suficientă (conductoarele se desprind u şor de suport, se rup la lipire, ...) şi se folosesc când urmează îngroşarea conductoarelor prin depunere de cupru, iar grosimile mai mari nu sunt economice şi se utilizează pentru cablaje care lucreaz ă în condiţii grele. Tabel 1.5 Propriet ăţile unor metale pentru conductoare imprimate şi metalizări Coeficientul Rezistivitate Conductivi- Temperatura de temp. al Densitatea Material la 20ºC tatea termică de topire Observaţii ăţii (x103kg/m3) rezistivit –6 (x10 Ω·m) (W/m·K) (ºC) (x10 –3K –1) Cupru (Cu) 0.0174 3.9 - 4.3 8.89 394 1084 Oxidabil Argint (Ag) 0.0165 3.6 - 4.1 10.5 423 960 Greu oxidabil Aur (Au) 0.023 3.4 – 4.0 19.3 293 1063 Practic inoxidabil Staniu (Sn) 0.125 4.6 7.28 66 232 Pentru acoperiri Plumb (Pb) 0.208 3.8 11.34 37 327 Utilizat numai aliat cu Sn 60-65% Sn, rest Pb Aliaj de lipit 0.180 4.0 – 4.3 8.8 44 185 Pentru acoperiri

Deoarece cuprul se oxideaz ă foarte repede, îngreuind lipirea, frecvent se realizeaz ă acoperiri de protec ţie cu metale sau aliaje greu oxidabile (argint, aur) sau care formeaz ă oxizi uşor dizolvabili în flux chiar la lipire (staniu sau aliaj de lipit staniu şi plumb). Aderenţa conductoarelor la suport se asigur ă prin: proprietăţile adezive ale r ăşinii (cazul r ăşinilor epoxidice, melaminice şi poliesterice); folosirea unor adezivi (de exemplu, pentru pertinax se folose şte cauciuc nitrilic iar în tehnologiile aditive pe suport cu r ăşini epoxidice se utilizeaz ă clorid de paladiu care are rol de catalizator la depunerea chimic ă a cuprului). • •

1.3.3. Tehnologii de fabricare a cablajelor imprimate 1.3.3.1. Generalităţi. Etape tehnologice comune

În toate tehnologiile, fabricarea cablajelor începe cu prelucr ăr ile mecanice generale: tăierea plăcilor la formele şi dimensiunile necesare, executarea decup ărilor, etc. În unele tehnologii se execut ă şi găurirea urmată de cur ăţarea găurilor. În toate tehnologiile, etapa a.

12


următoare prelucr ării mecanice, const ă în cur ăţ area suportului (placat sau nu) , orice impurităţi putând compromite aderen ţa substanţelor de acoperire şi în consecinţă calitatea produsului. Cur ăţarea se face, în func ţie de suport (placat sau nu) şi de impurificarea suprafe ţei, prin abraziune (sablare), atac chimic (acizi), sp ălare cu solven ţi organici şi întotdeauna cu mult ă apă - cel puţin ultimele spălări este bine s ă fie f ăcute cu ap ă deionizată sau măcar dedurificată (substanţele din apă „obişnuită” impurifică suprafeţele). Uscarea se face, de regul ă prin suflare cu aer cald. Pl ăcile trebuie utilizate imediat dup ă cur ăţare (în câteva ore), cuprul oxidânduse foarte repede. b. O altă etapă, prezentă în majoritatea tehnologiilor, este imprimarea imaginii (desenului) cablajului imprimat, opera ţie care const ă în transpunerea imaginii cablajului, la scara 1:1, pe suport (placat sau nu), rezistent ă la acizi. Imprimarea se poate face: în imagine pozitiv ă , când sunt acoperite traseele viitoarelor conductoare imprimate, sau în imagine negativ ă , când sunt acoperite traseele viitoarelor regiuni izolate. c. Urmează o serie de prelucr ări mecanice şi/sau chimice care depind de tehnologia utilizată d. În tehnologiile care folosesc procedee chimice, dup ă ultimele tratamente chimice se procedează la decontaminare, adică la îndepărtarea produselor reac ţiilor chimice care s-au depus pe suport, mai ales în regiunile izolante. Decontaminarea const ă în spălări succesive, cu solvenţi şi/sau multă apă (deionizată în final). e. În toate tehnologiile moderne, aproape de final se face depunerea unei m ăşti selective de lipire. Aceasta se realizeaz ă prin acoperirea întregii suprafe ţe a cablajului, cu excep ţia locurilor unde se vor executa lipiri, cu o pelicul ă de lac, termorezistent, electroizolant. Lacul este translucid (colorat în verde, albastru, ...) şi asigur ă protejarea conductoarelor în timpul lipirii (nu apar scurtcircuite între conductoare) şi la acţiunea factorilor de mediu. f. Adesea, în continuare, se fac inscrip ţionări cu vopsea pentru identificarea componentelor, punctelor de m ăsur ă, ... g. În final, întotdeauna, se face controlul final de calitate, de obicei prin inscrip ţie vizuală, rareori cu aparatur ă specială, pentru determinarea întreruperilor, scurtcircuitelor, ... • •

1.3.3.2. Tehnologii substractive de fabricare a cablajelor imprimate

Tehnologiile substractive, cele mai r ăspândite în prezent, se bazeaz ă pe folosirea semifabricatelor placate cu foi ţe de cupru, pe una sau ambele fe ţe şi îndepărtarea cuprului din regiunile care vor fi izolate. Îndep ărtarea cuprului se face prin corodare mecanică sau chimică. Corodarea mecanic ă se face prin frezare, pe ma şini comandate de calculatoare, pe acre se execut ă şi găurile; se obţin cablaje cu g ăuri nemetalizate – metalizarea g ăurilor se poate face ulterior, prin metode chimice şi electrochimice. Procedeul necesit ă utilaje relativ ieftine, este curat iar cablajele sunt de bun ă calitate. Productivitatea fiind mic ă, corodarea mecanică se foloseşte pentru unicate şi serii mici. Corodarea chimică este mult mai folosită, având productivitate mare, existand în multe variante, cu diferite costuri şi calităţi ale cablajelor, în func ţie de necesit ăţi şi tehnologie. În continuare se vor prezenta câteva dintre cele mai utilizate variante ale tehnologiilor substarctive. 1. Fabricarea cablajelor imprimate cu g ăuri nemetalizate, cu conductoare nemetalizate, prin tehnologie substractiv ă Acesta este cel mai simplu şi ieftin procedeu, folosit de obicei pentru cablaje mono strat pentru aparatur ă de larg consum, f ăr ă pretenţii. Succesiunea opera ţiilor apare în fig. 1.11.

13


Procesul începe cu folie cupru ă ă ţ prelucrare mecanic , cur are suport izolanr prelucr ă rile mecanice , de obicei f ăr ă executarea g ăurilor, urmat de cur ăţ area cerneală (lac) imprimare desen în pozitiv de protecţie pl ăc ilor . Urmează imprimarea imaginii cablajului în imacorodare, spălare ginea pozitiv ă. După uscarea cernelii care acoper ă viitoarele conconductoare îndepărtare cerneală (lac) imprimate ductoare, se execut ă corodarea chimică – îndepărtarea cuprului din regiunile izolate. găurire După decontaminare lac termore(spălare) se îndep ărtează cerzistent neala protectoare cu solven ţi depunerea măştii selective de lipire, control vizual organici şi se trece la executarea găurilor. Fig. 1.11.Fabricarea cablajelor imprimate f ăr ă metalizare prin tehnologie După controlul vizual, substractivă cu corodare chimică se execut ă operaţiile finale: depunerea măştii selective de lipire, execu ţia inscripţionărilor şi controlul final de calitate. Găurile se execut ă după corodare, pentru a se evita corodarea cuprului în interior şi mai ales blocarea g ăurilor cu cerneal ă protectoare, foarte greu de îndep ărtat. Frecvent pentru îmbun ătăţirea calităţii cablajelor (uşurarea lipirii, rezistenţă sporită a conductoarelor). Înainte de depunerea m ăştii selective, se face precositorirea cablajului, prin Linie de tăiere după metalizare depunerea unui start de aliaj, de lipit (staniu + plumb) în băi sau instalaţii de lipire cu und ă. Conductor pentru Metalizarea (aurirea, argintarea) contactelor contact la sursa pentru conector se face electrochimic, în b ăi; conde galvanizare tactele sunt reunite pentru electroliz ă (fig. 1.12), Fig. 1.12. Conector cu contacte imprimate, apoi suportul se taie întrerupând contactul. pregătit pentru metalizare electrochimică

2. Fabricarea cablajelor imprimate cu g ăuri nemetalizate, cu conductoare metalizate, prin tehnologie substractiv ă O îmbunătăţire considerabilă a calităţii cablajelor imprimate se ob ţine prin metalizarea conductoarelor în timpul fabricării cablajelor, prin electroliz ă. Prin acoperirea cuprului cu metale greu oxidabile şi care uşurează lipirea se obţine o rezisten ţă mecanică sporită, imunitate la acţiunea mediului, lipituri de mai bun ă calitate. Se folosesc: staniu, argint, rareori aur sau alte metale, care rezist ă la acţiunea agentului de corodare folosit.

In trecut, rar în prezent, se proceda la metalizarea conductoarelor prin acoperire cu aliaj de lipit SnPb în băi sau instalaţii cu val, după terminarea procesării, înainte de depunerea m ăştii selective de lipire. Procedeul se nume şte precositorire şi este aplicabil dac ă conductoarele sunt destul de late iar distan ţele dintre conductoare sunt destul de mari (peste ≈0,5mm), altfel apar scurtcircuitări. Mai frecvent se realizează precositorirea după depunerea măştii selective de lipire, acoperind cu aliaj numai punctele de lipire. În cazul metaliz ării electrochimice, g ă urirea se face la început, în cadrul prelucr ărilor mecanice. 14


După cur ăţ are, se prelucrare mecanic ă, găurire, face imprimarea imaginii în cur ăţare imagine negativă, apoi se procedează la metalizarea imprimare desen în negativ conductoarelor prin galvanizare. După îndepărtarea metalizare electrochimică cernelii protectoare se execută corodarea cu agent care îndepărtare cernelă (lac) nu atacă metalul de protecţie corodare chimică După spălare (decontaminare), se face controlul vizual şi acoperirea cu masca prelucrare mecanic ă, găurire, selectiv ă de lipire.

folie de cupru suport izolant cerneală (lac) de protecţie metalizare

lac termorezistent

cur ăţare

Succesiunea opeFig. 1.13. Fabricarea cablajelor cu conductoare metalizate prin tehnologie substractivă cu corodare chimică raţiilor apare în fig. 1.13. Procedeul este pu ţin lipitur ă mai scump decât cel f ăr ă metalizarea conductoarelor, realizabil cu aceleaşi utilaje, dar este pu ţin folosit în prezent deoarece se prefer ă varianta cu metalizarea g ăurilor, net avantajoas ă. Dezavantajul major al cablajelor cu g ăuri nemetalizate const ă în dificultatea realizării contactelor între conductoare de pe fe ţe opuse, adică a trecerilor (în lb. englez ă “vias”). Trecerile se realizeaz ă folosind terminalele componentelor sau fire (pini) anume pentru aceasta, cum se arat ă în fig. 1.14. Procedeul are numeroase dezavantaje: necesit ă manoper ă multă, sunt posibile erori greu depistabile şi remediabile (dacă r ămâne o trecere nef ăcută sub un circuit integrat, întreaga placă este rebutată). o mare parte din suprafa ţă este ocupat ă este redusă.

Fig. 1.14. Realizarea trecerilor prin terminal de componentă şi prin fir de trecere

de treceri, fiabilitatea

3. Fabricarea cablajelor imprimate cu g ăuri metalizate prin tehnologie substractiv ă

Pentru realizarea cablajelor circuitelor cu mare densitate de componente, în care se folosesc circuite integrate complexe, cu multe terminale, cablajele dublu strat f ăr ă metalizarea găurilor se pot folosi cu mare dificultate. Cablajele fiind complicate, nu se pot face toate conexiunile pe o singur ă faţă iar numărul trecerilor care trebuie realizate cu fire este foarte mare (spaţiu ocupat mare, manoper ă multă, erori frecvente). Soluţia problemei const ă în utilizarea cablajelor cu g ăuri metalizate, iar pentru circuitele foarte complicate a cablajelor multistrat, care sunt tot cu g ăuri metalizate. Fabricaţia cablajelor cu g ăuri metalizate (fig. 1.15) începe cu prelucr ă rile mecanice, dintre care cea mai important ă operaţie este g ă urirea. Aceasta se face numai prin a şchiere, folosind burghie speciale, antrenate cu vitez ă foarte mare (peste 20000 rot/min) pe ma şini de precizie, asigurând o mare netezime a pere ţilor găurilor. Găurile sunt cur ăţ ate cu grij ă, chiar în timpul execu ţiei prin suflare cu aer sub presiune. In continuare , se procedeaz ă la catalizarea întregii suprafeţe, inclusiv a interiorului găurilor. Catalizarea const ă în acoperirea cu o substan ţă care favorizeaz ă depunerea chimic ă a cuprului şi asigur ă o bună aderenţă a acestuia la suport (obi şnuit clorid de paladiu). Apoi se face o cuprare chimic ă , prin care se depune un strat foarte sub ţire de cupru (1 – 5µm)cu rol de asigurare a conductibilit ăţii întregii suprafeţe. Cuprarea chimic ă se face în băi de reducere a s ărurilor de cupru, este lent ă şi scumpă şi de aceea stratul este sub ţire. 15


Operaţia următoare este imprimarea desenului, în imagine negativ ă – se acoper ă zonele care vor fi izolante. Procesul continu ă cu o cuprare galvanic ă (operaţie rapidă, ieftină), prin care se cre şte un strat de cupru de 10 – 100µm, după necesit ăţi. Apoi se procedeaz ă la metalizare, prin care se depune galvanic un strat de metal neatacabil de agen ţii de corodare (obişnuit staniu, mai rar argint, aur, ...). După îndepă rtarea cernelii protectoare , se procedeaz ă la corodarea foliei de cupru, urmat ă de spă lare (decontaminare). După inspec ţia vizuală se execut ă depunerea m ăştii selective de lipire. [În unele variante, ieftine dar nerecomandabile, nu se face cuprare galvanică - se execută numai metalizarea (stanare); produsul este de slabă calitate - metalizările găurilor nu sunt rezistente, „ies” după 2 - 3 lipiri/dezlipiri.]

pregătire, găurire, cur ăţare catalizarea suprafeţei

folie cupru suport izolant catalizator cupru depus chimic

cuprare chimică

imprimare desen în negativ cuprare electrochimică metalizare

lac (cerneală) de protecţie metalizare cupru depus galvanic

îndepărtare cerneală (lac) de protecţie corodare, spălare, decontaminare depunere mască selectivă de lipire

lac termorezistent metalizare cupru galvanic cupru chimic cupru din folia iniţială

Fig. 1.15. Fabricarea cablajelor cu găuri metalizate prin tehnologie substractivă

Cablajele cu găuri metalizate sunt net superioare calitativ fa ţă de cele cu g ăuri nemetalizate, dar şi mult mai scumpe (cam de 2 ori) - necesit ă utilaje speciale pentru g ăurire, procesul durează mult şi prescripţiile tehnologice (temperaturi, durate, compozi ţii ale băilor de tratare chimică, ...) trebuie respectate cu stricte ţe. 4. Fabricarea cablajelor multistrat prin tehnologia substractivă

Pentru fabricarea cablajelor cu 3 sau 4 straturi, tehnologia subtractiv ă este în prezent mult folosită. Succesiunea opera ţiilor apare în fig. 1.16. Procesul începe cu fabricarea cablajelor imprimate nemetalizate f ă r ă executarea g ău rilor, pe două sau mai multe pl ăci din semifabricat placat (dublu strat + dublu strat sau dublu strat + mono strat); se folose şte tehnologia descris ă la punctul 1. Apoi se suprapun pl ă cile, cu izolant intermediar (material de baz ă + r ăş in ă) ş i se preseaz ă la cald, ob ţinând un ansamblu rigid. Pe ansamblu se execut ă g ă urirea, apoi se face o corodare a izolantului din g ă uri, pe mică adâncime, astfel încât cuprul s ă iasă puţin (câţiva µm) în relief, asigurând un mai bun contact cu metalizarea g ăurii. Urmează metalizarea g ă urilor (şi a conductoarelor exterioare), dup ă procedeul descris la punctul 3. În producţie, probleme dificile apar la realizarea contactelor între conductoare din diferite straturi, datorită abaterilor pozi ţiilor plăcilor şi conductoarelor fa ţă de cele ideale, l ăţimile conductoarelor şi distanţele dintre ele fiind foarte mici (adesea de 0,2 - 0,3mm). Pentru bune rezultate, toleran ţele în pozi ţionare sunt mici, de ordinul 10 – 20µm. Pozi ţionarea precisă a 16


conductoarelor se ob ţine prin imprimarea desenelor cu procedeul fotografic şi tratare chimică corespunzătore. Poziţionarea precisă a plăcilor la suprapunere se face utilizând g ăuri de ghidare în plăci şi ştifturi (tije) de ghidare. Executarea precis ă a găurilor (poziţie, diametru ...) se obţine prin prelucrarea mecanic ă pe maşini speciale, conduse de calculatoare în a c ăror memorie este introdus planul de g ăurire. execuţie plăci cu conductoare nemetalizate

conductoare imprimate suport izolant 1

suprapunere plăci cu izolant intermediar presare la cald

izolant intermediar su ort izolant 2

găurire corodare interior găuri de la exterior: lac termorezistent metalizare cupru chimic şi galvanic cupru iniţial (din folie) •

catalizare cuprare chimică imprimare desen în negativ cuprare galvanică metalizare corodare, spălare depunere mască de lipire

• •

•

Fig. 1.16. Fabricarea cablajelor imprimate multistrat prin tehnologie substractivă În prezent, la peste 20 de ani de la primele încerc ări, procesul tehnologic este bine pus la punct şi există multe firme care livreaz ă linii tehnologice complete.

1.3.3.3. Tehnologii aditive de fabricare a cablajelor imprimate

Încercările de a realiza într-un acela şi lanţ de operaţii tehnologice, atât conductoarele imprimate cât şi metalizarea găurilor, au dus la dezvoltarea tehnologiilor aditive de fabricare a cablajelor imprimate, în care materialul de la care încep opera ţiile este, suportul izolant. În prezent, tehnologiile aditive se folosesc numai în varianta combinat ă, de cuprare chimică şi electrochimic ă care se va descrie mai jos; succesiunea opera ţiilor apare în fig. 1.17. Se folose ş te un suport izolant care se prelucreaz ă mecanic şi se găureşte, după care se cur ăţă. Apoi se catalizeaz ă întreaga suprafaţă (§1.3.3.2) şi se face o cuprare chimică , realizând un strat sub ţire (1 – 5µm) pentru a face conductoare întreaga suprafa ţă. După imprimarea desenului în imagine negativ ă , se trece la cuprare galvanic ă , crescând un strat de cupru gros, în funcţie de necesit ăţi. Urmează metalizarea conductoarelor şi apoi înl ăt urarea cernelii protectoare. După o scurtă corodare, pentru îndepărtarea stratului de cupru depus chimic, se face decontaminarea (spă larea). Dup ă control vizual se depune masca selectiv ă de lipire. Se observă o mare asem ănare cu tehnologia de fabricare a cablajelor cu g ăuri metalizate prin tehnologie substractiv ă - de altfel, şi substanţele şi operaţiile chimice sunt practic identice. 17


Avantajele tehnologisuport izolant pregătire, găurire, ei aditive constau în consucur ăţare mul mai redus de cupru şi catalizator costul mai redus al semifabri- catalizarea suprafeţei catului (nu este placat). cupru depus chimic Dezavantajul major al cuprare chimică acestei tehnologii const ă în aderenţa scăzută a conduclac (cerneală) de toarelor la suport, problem ă protecţie imprimare desen în încă nerezolvată. negativ Prin tehnologie aditimetalizare vă se pot fabrica şi cablaje cupru depus ă cuprare electrochimic multistrat (3-4 straturi), dup ă galvanic metalizare un procedeu asem ănător celui substractiv. Mai întâi se fabrică 2 îndepărtare cerneală plăci cu conductoare şi găuri (lac) de protecţie pentru contact între conductoarele de pe fe ţele aceluiaşi de la exterior: corodare, spălare, suport, prin tehnologia aditilac termodecontaminare vă descris ă mai sus1. rezistent Apoi plăcile se suprametalizare pun cu izolant intermediar şi cupru depunere mască se preseaz ă la cald. În contigalvanic selectivă de lipire cupru chimic nuare se execut ă găurile pentru contacte între conducFig. 1.17. Fabricarea cablajelor cu găuri metalizate prin tehnologie toare de pe suporturi diferite, aditivă dup ă tehnologia descris ă în §1.3.3.2.4; rezultatul apare ca în fig. 1.18. •

• •

•

lac termorezistent metalizare cupru chimic şi galvanic la metalizarea găurii prin ansamblu cupru chimic şi galvanic depus la fabricarea plăcilor izolant interior suport izolant Fig. 1.18. Fabricarea cablajelor multistrat prin procedeul aditiv – rezultatul procesării

1.3.3.4. Fabricarea cablajelor imprimate prin tehnologii de sintez ă

În tehnologia de sintez ă conductoarele şi izolantul dintre ele se realizeaz ă prin depuneri succesive de material, de regul ă pe suporturi ceramice. Tehnologiile de sintez ă se folosesc în dou ă variante: tehnologia pă turilor groase şi tehnologia pă turilor sub ţ iri.

1

Uneori nu se mai face metalizare, pierderea în grosime la corodarea cuprului depus chimic fiind neglijabilă 18


În tehnologia păturilor groase , conductoarele dintr-un strat se ob ţin prin vopsire cu pastă din săruri metalice2 folosind o masc ă serigrafică sau un şablon cu degaj ările corespunzătoare traseelor conductoare. Dup ă reducere prin ardere, se ob ţin traseele metalice. Izolantul se depune sub form ă de past ă ceramică (oxizi de aluminiu), umplând spa ţiile dintre conductoare prin vopsire şi ştergere cu racleta. Dup ă ardere pentru înt ărirea ceramicii, se trece la formarea următorului strat. Rezultatul conductoare m este ca în fig. 1.19. µ 1 Straturile obţinute astfel sunt 0 izolant – 1 groase (1 – 3 ... 5 – 10µm), rezistente şi suport ceramic fiabile. m Dificultăţi apar când trebuie rea m 0 1 lizate multe straturi, deoarece tempera – 8 tura de ardere a ceramicii dintr-un strat , 0 trebuie să fie cu cel pu ţin 20ºC mai mică decât a ceramicii din stratul preceFig. 1.19. Cablaj imprimat realizat prin tehnologia de dent; este greu s ă se realizeze sortimensinteză a păturilor groase te de ceramic ă cu temperaturi de ardere diferite într-un interval larg. În prezent se produc curent astfel de cablaje cu 5 ... 12 straturi; experimental s-au realizat şi 28 de straturi. În tehnologia păturilor sub ţ iri , metalul pentru conductoare 3 şi izolantul ceramic se depun prin evaporarea în vid a substan ţei, încălzite la topire. In vid înaintat (sub 10 –6torr) moleculele se deplaseaz ă rectiliniu, în fascicule moleculare sau ionice. Pentru formarea conductoarelor, în calea fasciculului molecular se intercaleaz ă şabloane cu degaj ări corespunzătoare traseelor conductoare, iar pentru cre şterea izolaţiei se folosesc şabloane complementare celor pentru conductoare. Rezultatul este ca cel din fig. 1.19, dar grosimea straturilor este mică – 0,1 – 1µm. În tehnologia păturilor subţiri nu există practic limite în complexitatea cablajelor şi în numărul de straturi. Dezavantajele procedeului constau în rezisten ţa sc ăzută a conductoarelor şi frecvenţa destul de mare a defectelor de structur ă, ceea ce duce la un procent de rebuturi destul de mare. În plus, utilajele sunt complexe, scumpe, procesul trebuie foarte bine controlat - de exemplu, este necesar ă măsurarea în permanen ţă a grosimii straturilor depuse 4. Cablajele realizate prin tehnologii de sintez ă permit o foarte mare densitate de componente, care, întotdeauna, se monteaz ă pe suprafaţă. Frecvent, astfel de cablaje se folosesc pentru circuite integrate hibride (componentele, f ăr ă capsul ă, se monteaz ă pe suprafa ţă , se fac legăturile la terminale încastrate în suport, iar ansamblul se înglobeaz ă în r ăşină şi se încapsuleaz ă ermetic). Prin tehnologie hibridă se realizează foarte uşor componente pasive - rezistoare (paste sau depuneri de metale cu rezistivitate mare şi ajustare la valoare cu laser), bobine şi condensatoare, linii de transmisie plate, etc.

2

Obişnuit se folosesc săruri de argint (ieftine, cu temperaturi de ardere mici), mai rar de aur, rar alte metale Se foloseşte argint, aur, tantal, paladiu, mai rar alte metale 4 Grosimea straturilor se măsoar ă optic, prin metode de interferenţă 3

19

realizarea cablajelor imprimate

Recommend Documents