ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Печатные платы (ПП) применяются практически во всех отраслях народного хозяйства, и потребность в них постоянно возрастает. Опережающие темпы развития радиоэлектроники и микроэлектроники требуют непрерывного повышения их технического уровня, который определяется ростом плотности монтажа электрорадиоэлементов (ЭРЭ), повышением требований к надежности, увеличением рабочей частоты, обеспечением помехозащищенности и др. Реализация этих требований зависит от достижений в области конструирования и развития технологии производства ПП. Это в свою очередь приводит к необходимости разработки новых материалов, конструкций и технологических процессов их изготовления.
Перспективным направлением в технологии печатных плат является разработка и производство гибких печатных плат (ГПП), обладающих следующими преимуществами по сравнению с жесткими ПП:
• упрощение компоновки и уменьшение объема электронной аппаратуры до 50%;
• высокая надежность;
• лучшие электрические характеристики;
• лучшее рассеивание теплоты;
• динамическая гибкость;
• возможность придания ГПП формы корпуса сложной конфигурации;
• технологичность конструкции и экономичность технологического процесса изготовления ГПП вследствие применения рулонной технологии.
В качестве материалов для изготовления гибких печатных плат применяют фольгированные и нефольгированные полиимид и полиэтилентерефталат.
Перспективным материалом для изготовления ГПП является политетрафторэтилен (ПТФЭ), который обладает высокими диэлектрическими свойствами, химической стойкостью к агрессивным химическим средам и широким диапазоном рабочих температур. Важным недостатком, не позволяющим в полной мере применять ПТФЭ в качестве основы для гибких печатных плат, является низкая адгезия к металлическим и полимерным слоям.
5
5
6
Имеющиеся на рынке материалы для гибких печатных плат производятся по двум основным технологиям: прикатыванием проводящей фольги к диэлектрику через адгезионный подслой и металлизацией нефольгированного диэлектрика с применением адгезионного подслоя. Общим недостатком данных технологий является использование адгезионного подслоя, который ухудшает эксплуатационные характеристики получаемых изделий.
Поэтому актуальной является задача создания материала гибкой печатной платы на политетрафторэтилене без адгезионных подслоев.
Целью диссертации является разработка технологии и оборудования вакуумной металлизации полимерных пленок для производства гибких печатных плат на основе политетрафторэтилена без применения полимерного адгезионного подслоя.
Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
• анализ механизмов адгезии металлического слоя к полимеру и теоретическое обоснование формирования медного слоя на ПТФЭ с высокой адгезией;
• изучение процесса плазмохимической обработки поверхности политетрафторэтилена с целью создания необходимого рельефа полимерного материала;
• исследование процесса вакуумной металлизации политетрафторэтилена методом магнетронного распыления с целью формирования устойчивого контакта меди с ПТФЭ;
• разработка образца экспериментального оборудования с технологическими устройствами модификации и металлизации полимерной пленки, реализующего рулонную технологию вакуумной металлизации;
• определение основных технологических факторов и масштабов их влияния на адгезионную способность пленки меди к политетрафторэтилену;
• разработка образца промышленного оборудования с технологическими устройствами модификации и металлизации полимерной пленки, реализующего рулонную технологию вакуумной металлизации;
• создание рулонной технологии вакуумной металлизации полимерной пленки для производства гибких печатных плат на основе ПТФЭ.
7 Научная новизна работы.
1. Создана физическая модель формирования высокоадгезионного слоя металла к поверхности полимера и экспериментально показана адекватность физической модели реальным условиям при формировании структуры медь - ПТФЭ ионно-плазменными методами в вакууме.
2. Впервые экспериментально показано, что применение высокоэнергетичных (5-9 кэВ) ионов газов CF4, O2 и Ar обеспечивает развитие поверхности политетрафторэтилена на глубину до 3 мкм с достаточной для практического применения скоростью.
3. Результаты исследований по влиянию геометрии рельефа и модификации поверхности ПТФЭ на адгезию слоя меди к ПТФЭ. Технологические режимы, обеспечивающие формирование медного покрытия на поверхности ПТФЭ с адгезией более 1,5 Н/мм.
Практическая значимость.
1. Разработан и изготовлен образец экспериментальной установки вакуумной металлизации полимерной пленки.
2. Разработан и изготовлен образец промышленной установки вакуумной металлизации полимерной пленки, обеспечивающий выпуск материала для гибкой печатной платы с нормативными параметрами.
3. Разработан технологический процесс вакуумной металлизации ПТФЭ с ионно-лучевой обработкой поверхности ПТФЭ по рулонной технологии.
Методы исследований. При решении названных задач использовались методы:
• современной вакуумной ионно-плазменной технологии (ионно-лучевая обработка, магнетронное нанесение) - для формирования высокоадгезионных слоев меди на ПТФЭ;
• измерения индукции магнитных полей ионного и магнетронного источников -для определения оптимальной конфигурации магнитного поля;
• электронной микроскопии - для изучения геометрических характеристик полученных структур, исследования топографии и глубины обработки ПТФЭ;
8
• измерения адгезии металла к полимеру методом нормального отслаивания -для определения эксплуатационных характеристик получаемых образцов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Физическая модель формирования высокоадгезионного слоя металла к поверхности полимера.
2. Результаты исследований по влиянию геометрии рельефа и модификации поверхности ПТФЭ на адгезию слоя меди к ПТФЭ. Технологические режимы, обеспечивающие формирование медного покрытия на поверхности ПТФЭ с адгезией более 1,5 Н/мм.
3. Экспериментальный и промышленный образцы оборудования и рулонная технология вакуумной металлизации ПТФЭ с ионно-лучевой обработкой поверхности ПТФЭ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на III научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы, решения» (Пермь, 2000 г.); V международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 2002 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (Москва, 2002-2004 гг.); Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2000-2004 гг.), на постоянно действующем семинаре «Электровакуумная техника и технология» (Москва, 2004 г.), на кафедре «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского «Наукоемкие технологии радиоэлектроники» (Москва, «МАТИ» - РГТУ, 2004 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 92 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 135 страниц, в том числе включает в себя 73 рисунка и 10 таблиц.
ГЛАВА 1. Анализ методов и оборудования вакуумной металлизации полимерных пленок
В общем случае печатная плата представляет собой диэлектрическое основание с проводящим рисунком [1]. При этом в качестве диэлектрического основания используются разнообразные по своим характеристикам материалы (гетинакс, стеклотекстолит, полиимид, фторопласт). Наибольший интерес на сегодняшний день представляют гибкие печатные платы (ГПП) на основе полиимида и фторопласта, которые обладают более высокими характеристиками по сравнению с обычными печатными платами [2-6].
Об актуальности проблемы разработки новых технологий для производства гибких печатных плат говорит и постоянно растущий мировой рынок ГПП. В 2000 году он составил 5 млрд. долл. с ежегодным ростом 12-17% [7].
Уже сегодня можно говорить о широкой области применения гибких печатных плат в народном хозяйстве. Это автомобильная и бытовая техника, медицина, вооружение и космос, компьютеры, промышленный контроль и другие отрасли. Благодаря своим высоким параметрам (динамической гибкости, уменьшении веса, улучшении надежности и др.) ГПП из изделия специального назначения превращаются в повседневный бытовой продукт. Однако отсутствие в России специализированного технологического оборудования и технологии изготовления ГПП пока не позволяют гибким печатным платам выйти на уровень объемов производства отечественных жестких печатных плат.
Таким образом, становится актуальной задача разработки промышленных технологий и оборудования, позволяющих производить гибкие печатные платы с возможностью регулирования параметров печатных проводников различных ГПП в процессе их производства, не уступающие по качеству традиционным печатным платам.
Рассмотрим классификацию, материалы и основные технологии производства печатных плат, основываясь на литературных источниках [1-10].
9
9
10
1.1. Современное состояние производства гибких печатных плат
1.1.1. Классификация гибких печатных плат
Гибкие печатные платы можно классифицировать следующим образом [2]:
• Односторонние гибкие печатные платы;
• Односторонние гибкие печатные платы с двусторонним доступом;
• Двусторонние гибкие печатные платы;
• Многослойные гибкие печатные платы;
• Гибкие печатные платы с местным укреплением;
• Гибко-жесткие печатные платы.
На рис. 1.1 представлен вид типичной гибкой печатной платы в сечении.
Рис. 1.1. Двусторонняя гибкая печатная плата с высокой плотностью рисунка
[7].
Как видно из рисунка, на полиимидной пленке размещены медные печатные проводники, покрытые гибкой защитной маской. Основными элементами таких конструкций гибких печатных плат являются полимерная пленка (базовый материал), адгезив, металлическая (медная или алюминиевая) фольга. Наиболее часто в качестве базового материала используют полиимид (ПИ), полиэтилентерефталат (ПЭТФ) и политетрафторэтилен (ПТФЭ). Основные достоинства и недостатки данных материалов представлены в таблице 1.1.
11
Таблица 1.1.
Достоинства и недостатки пленок полиимида, полиэтилентерефталата
и политетрафторэтилена [9].
Тип полимерной пленки Достоинства Недостатки
Полиимид (ПИ, Kapton, Apical, Novax, Espanex, Upitex) Рабочая температура от -200°С до +300°С 1. отличная гибкость при температурах от -200 до 300°С; 2. хорошие диэлектрические свойства; 3. отличная химстойкость (за исключением горячей концентрированной щелочи); 4. хорошая устойчивость к разрыву. 1. высокое водопоглоще-ние (до 3% по весу); 2. высокая стоимость.
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ, лавсан, Mylar, Melinex, Luminor, Celanar, Hostaphan) Рабочая температура от -60°С до +105°С 1. легкая формовка; 2. низкая стоимость; 3. хорошая устойчивость к разрыву и распространению разрыва; 4. хорошая гибкость 5. хорошая химстойкость 1. низкая точка плавления (ограниченность к пайке); 2. нельзя использовать при криогенных температурах (становится хрупким); 3. недостаточная размерная стабильность (применяют термостабилизацию).
Политетрафторэтилен (ПТФЭ, фторполимер, фторопласт, тефлон) Рабочая температура от -100°С до +320°С 1. низкий коэффициент трения; 2. высокая химическая и биологическая стойкость; 3. прочность и долговечность; 4. негорючесть; 5. отличные диэлектрические свойства. 1. высокая стоимость; 2. плохая адгезия ко всем материалам.
Из таблицы следует, что наиболее перспективными материалами для изготовления гибких печатных плат по своим свойствам являются полиимид и политетрафторэтилен. Однако широкое применение первого ограничивается высоким водопоглощением, а второго - низкой адгезией к материалам печатных проводников.
Для определения возможных путей повышения эксплуатационных характеристик ГПП рассмотрим существующие технологические процессы их производства.
12 1.1.2. Особенности технологий изготовления гибких печатных плат
В общем случае технология изготовления гибкой печатной платы состоит из изготовления ламината (полимерного основания с проводящим слоем), формирования на нем топологии печатных проводников, сборки и монтажа ЭРЭ на плату.
Как известно, каждый технологический процесс ухудшает общие эксплуатационные свойства изделия, поэтому наибольшее внимание уделяется качеству производимых ламинатов.
Существуют два основных способа изготовления ламинатов [8]:
а). Соединение проводящей фольги и базового материала адгезивом;
б). Нанесение на проводящую фольгу расплавленного базового материала.
В связи с наиболее частым применением рассмотрим первый метод более подробно.
Суть метода заключается в нанесении на базовое диэлектрическое основание полимерного адгезива и прикатывание к нему проводящей (медной или алюминиевой) фольги.
Адгезивы также применяются для создания защитных слоев однослойных и двухслойных гибких печатных плат, а также объединяют слои для многослойных и гибко-жестких конструкций. Полимерные адгезивы являются ограничивающим фактором в термических свойствах гибких печатных плат, особенно когда в качестве базового материала используется полиимид.
Существует несколько типов адгезивов. Наиболее часто для полиимида применяют акриловый адгезив (травится в щелочи, имеет большой коэффициент линейного расширения). Эпоксид и модифицированный эпоксид в качестве адгезива достаточно хрупок. Полиимидный адгезив требует высокой температуры обработки.
Большинство гибких ламинатов (диэлектрик - адгезив - фольга) используют катанную и ненагартованную медную или алюминиевую фольгу. Фольга из специальных медных сплавов имеет большую прочность, обеспечивая большую устойчивость к перегибам, сравнимую с катаной фольгой. Кроме того, такая фольга имеет меньше дефектов. В качестве защитных покрытий используют акрилаты, полиуретаны, акрилэпоксиды [2, 6].
13
Основными недостатками полимерных адгезивов являются более узкий по сравнению с основанием диапазон рабочих температур и высокое газовыделение при нагреве. Последний недостаток приводит к отслаиванию контактных площадок при пайке и сильно ограничивает допустимый диапазон температур пайки. Следует также отметить малую номенклатуру применяемых полимерных адгезивов.
Таким образом, применение адгезива является одним из сильных сдерживающих факторов повышения эксплуатационных характеристик печатных плат.
Кроме технологических ограничений, которые накладывают процессы изготовления ламинатов, существуют ограничения, связанные технологией изготовления проводящего рисунка и монтажом печатных плат. Коротко рассмотрим их особенности.
Основными показателями уровня развития технологии печатных плат (как гибких, так и жестких) являются ширина проводников и количество отверстий на плате. Тенденция развития технологии изготовления печатных плат характеризуется уменьшением ширины проводников (рис. 1.2) и соответствующим увеличением количества отверстий в платах (рис. 1.3) [8].
Рис. 1.2. Тенденция развития технологий изготовления печатных плат относительно ширины печатных проводников [8]
14
Как видно из рис. 1.2 средняя ширина печатного проводника современных печатных плат составляет 30 - 12 мкм, и постоянно уменьшается. Это говорит о необходимости снижения толщины металлического слоя до характерного размера ширины проводника. При этом существующие технологии обеспечивают толщину слоя 35 - 18 мкм.
Рис. 1.3. Тенденция роста количества отверстий в печатных платах [8]
Для получения проводящего рисунка слоев печатных плат используют два вида технологии:
1. Субтрактивный метод;
2. Метод «тентинг»;
3. Субтрактивный метод с использованием металлорезиста.
По субтрактивной технологии рисунок печатных плат получается травлением медной фольги по защитному изображению в фоторезисте. На рисунках 1.4, 1.5 и 1.6 приведены варианты технологических схем получения проводящего рисунка печатных плат по субтрактивной технологии.
Первый вариант (рис. 1.4) - получение проводящего рисунка травлением медной фольги на поверхности диэлектрика по защитному изображению в фоторезисте при изготовлении односторонних и двусторонних слоев многослойных
15
плат (МПП). Второй вариант (рис. 1.5) - получение проводящего рисунка двусторонних слоев с межслойными переходами путем травления медной фольги с гальванически осажденным сплошным слоем меди по защитному изображению рисунка схемы и с защитными завесками над металлизированными отверстиями в сухом пленочном фоторезисте (СПФ).
В этом процессе, называемом «тентинг», или методе образования завесок над отверстиями, в заготовках фольгированного диэлектрика сверлятся отверстия и, после химической металлизации стенок отверстий, производят гальваническое доращивание меди до требуемой толщины (18-^35 мкм) в отверстиях и на поверхности фольги на всей заготовке фольгированного диэлектрика. После этого наносится фоторезист для получения защитного изображения схемы и защитных завесок над металлизированными отверстиями.
Рис. 1.4. Технологическая схема изготовления слоев субтрактивным методом.
По полученному защитному изображению в пленочном фоторезисте производят травление меди. Образованные фоторезистом завески защищают металлизированные отверстия от воздействия травящего раствора при травлении.
иэиншоелнонои о ио'п'охэи игшаихдасЬдАэ аэонэ кинэнаохохш еиэхэ квлоэьихопонхэх 91 эис1
«хнихнэх» ио'п'охэи аэопо кинэпаохохеи еиэхэ квлоэьихопонхэх
91
17
Третий вариант (рис. 1.6) применяется при получении слоев печатных плат путем вытравливания проводящего рисунка по металлорезисту, осажденному на поверхность медных проводников и на стенки металлизированных отверстий. Как и во втором варианте, пленочный фоторезист наносится на фольгированный диэлектрик после операции получения отверстий и предварительной (5-7 мкм) металлизации медью стенок отверстий и всей поверхности фольги. В процессе фотолитографии фоторезиста защитный рельеф получают на местах поверхности металлизированной фольги, подлежащей последующему удалению травлением.
Проводящий рисунок формируется последовательным осаждением меди и металлорезиста по рисунку освобождений в рельефе пленочного фоторезиста и на поверхность стенок отверстий. После удаления рельефа пленочного фоторезиста незащищенные слои меди вытравливаются.
Кроме технологии формирования проводящего рисунка на эксплуатационные характеристики ПП сильное влияние оказывают процессы, происходящие при сборке и монтаже платы. Это в первую очередь относится к операциям пайки ЭРЭ на ПП. При проведении пайки печатная плата испытывает сильные тепловые нагрузки, которые приводят к отслаиванию контактных площадок от базового основания и, как следствие, выходу устройства из строя.
Таким образом, от того, какими характеристиками будет обладать основание ПП, зависят эксплуатационные характеристики устройства в целом.
Подводя итог, можно отметить ряд принципиальных ограничений, которые накладывают требования к традиционным технологиям изготовления как жестких, так и гибких печатных плат.
1. Сложность применения тонких (менее 5 мкм) медных слоев с применением полимерного адгезива.
2. Ограниченный полимерным адгезивом диапазон рабочих температур ГПП (особенно для полиимида и политетрафторэтилена).
3. Сложность формирования многослойных или композиционных структур проводящих слоев.
4. Сложность управления адгезионной способностью проводящего слоя к материалу полимера (определяется выбором адгезива).
18
Таким образом, становится актуальной задача разработки технологии и оборудования для изготовления гибких печатных плат без применения полимерного адгезива с возможностью управления толщиной, структурой и адгезионной способностью проводящего слоя.
Анализ отечественной и зарубежной литературы [2, 6, 11-13] показал успешный опыт применения вакуумной металлизации полимеров для решения данной проблемы. В следующем параграфе будут рассмотрены технологические возможности его реализации для формирования проводящих слоев на ГПП.
19
1.2. Технологические методы и оборудование для нанесения проводящего слоя на полимерную пленку
1.2.1. Вакуумное нанесение покрытий на полимерную пленку
Основными способами, позволяющими формировать электропроводящие металлические покрытия на поверхности полимеров без применения адгезивов, являются [11]:
• химическая металлизация;
• гальваническая металлизация;
• металлизация распылением на атмосфере;
• вакуумная металлизация.
Метод химической металлизации основывается на протекании окислительно-восстановительных реакций с выделением атомов металла, имеющих более высокий окислительно-восстановительный потенциал. К недостаткам метода можно отнести экологическую вредность, дороговизну процесса и неустойчивость адгезии проводящего слоя к подложке.
Метод гальванической металлизации заключается в электролитическом осаждении металла из растворов соответствующих солей. Этот метод чаще всего применяют при нанесении покрытий толщиной более 1 мкм. Метод, как и предыдущий экологически вреден; наносимые покрытия имеют повышенную жесткость; при проведении процесса требуется наличие на подложке стартового токопроводящего слоя.
Металлизация распылением представляет собой распыление металла в расплавленном виде струей сжатого газа при атмосферном давлении. Недостатками метода являются: экологическая вредность, высокие тепловые нагрузки на подложку, трудность обеспечения равномерности наносимого покрытия.
Вакуумная металлизация заключается в формировании покрытий путем испарения или распыления металлов в вакууме и конденсацией их на поверхности полимеров. Данный технологический процесс является сложным и зависит от условий реализации его отдельных стадий.
При этом следует отметить, что из вышеперечисленных методов наиболее динамично развивается металлизация в вакууме [11-16]. Это связано, в первую
20
очередь с чистотой и экологичностью технологических процессов, хорошей воспроизводимостью состава покрытия, возможностью нанесения тонких (менее 1 мкм) слоев и хорошей равномерностью получаемых пленок (±5%). Основной трудностью в данном случае является нанесение толстых (более 5 мкм) слоев. В этом случае вакуумная металлизация применяется совместно с гальванической.
Методом вакуумной металлизации на полимерную пленку наносится стартовый металлический слой (1-2 мкм) и далее производится гальваническое доращивание слоя до требуемой величины.
Известно [2], что одной из важнейших эксплуатационных характеристик ГПП является адгезия печатного проводника к полимерному основанию, которую обеспечивает стартовый слой. Поэтому основное внимание сосредоточим на технологическом процессе получения такого слоя - вакуумной металлизации.
При относительно простой технологической схеме вакуумной металлизации (рис. 1.7), физико-химические процессы довольно сложны.
Рис. 1.7. Схема вакуумной металлизации полимерной пленки.
1 - вакуумная камера;
2 - полимерная пленка;
3 - система перемотки;
4 - источник металлизации.
Поэтому среди большого числа процессов следует выделить основные, протекание которых в значительной степени определяет особенности нанесения металлических покрытий на полимерную основу:

Получить работу