Варианты полимеризационного наполнения. Несомненно, лучшим вариантом использования технологии полимеризационного наполнения было бы перемещение ее в цеха предприятий-изготовителей базовых материалов для ПП. К сожалению, по целому ряду причин это можно сделать лишь в частных случаях.
Базовая технология и ее модификации
В отечественной и зарубежной практике получили распространение преимущественно субтрактивные методы изготовления ПП. Исходными базовыми материалами в таких технологиях являются фольгированные стеклотекстолиты. Времена, когда операции изготовления стеклотекстолита и его фольгирования были разнесены во времени, ушли в далекое прошлое. Клей БФР был вытеснен из технологии изготовления фольгированных стеклотекстолитов. Практически все фольгированные стеклотекстолиты ныне изготавливаются "бесклеевым" методом, в котором процессы отверждения эпоксидного ламината и его склеивания с медной фольгой совмещены. Поверхность стеклотекстолита открывается лишь в процессе изготовления ПП после проведения операции травления фольги. Поэтому полимеризационное наполнение становится возможным только в цехах предприятий, изготавливающих ПП и/или проводящих сборку радиоэлектронной аппаратуры, а прием "сделать заранее" целесообразно использовать лишь по отношению к нефольгированным базовым материалам, которые используются преимущественно в аддитивных или полуаддитивных технологиях изготовления ПП. Полимеризационное наполнение (базовая технология) основано на том, что жидкая композиция на основе бифункциональных мономеров заполняет дефекты структуры подложки ПП (стеклотекстолита), а затем при термообработке происходит полимеризация (отверждение) этой композиции в объеме подложки [16]. Таким образом, происходит своеобразное наполнение одного полимера другим полимером. При этом происходят благоприятные во всех отношениях изменения в подложке ПП: уменьшение пористости, уменьшение водопоглощения, уменьшение диффузионной проницаемости и, наоборот, увеличение уровня сопротивления изоляции.
Базовая технология полимеризационного наполнения, "усиливая" поверхностный слой стеклотекстолита и вследствие этого уменьшая токовые утечки через этот слой, уже в какой-то степени решает проблему защиты от влаги. Кардинально решить эту проблему и не только эту могут два других способа защиты плат от влаги, также основанные на полимеризационном наполнении [17, 18].
Полимерные покрытия, на первый взгляд, представляют собой монолит. Но в этом монолите также имеются поры. Наличие пор подтверждает, например, такой известный факт – многослойное и однослойное покрытие одинаковой толщины отличаются по своей диффузионной проницаемости. У многослойного покрытия она меньше, поскольку поры одного слоя в общем случае не совпадают с порами другого слоя. Электронно-микроскопические исследования также подтверждают описанные результаты. Поверхность полимерного покрытия так же, как и поверхность стеклотекстолита, представляет собой сильно разветвленную шероховатую структуру с многочисленными порами различного диаметра и глубины. В полимерных покрытиях имеет место и иная пористость – неоднородность структуры полимеров характерна не только для связующих композиционных материалов, но и для связующих полимерных покрытий. Следовательно, в полимерных покрытиях имеются все необходимые и достаточные условия для проявления эффекта полимеризационного наполнения.
Распределение полимера-наполнителя по толщине печатного узла (ПУ) в базовой технологии и в способах 1 и 2 показано на рис.3.
Способ 1 может быть реализован следующим образом. Первая стадия – заполнение композицией (мономерной), способной к полимеризации, дефектов структуры стеклотекстолита осуществляется так же, как и в базовой технологии. Далее на поверхность ПП (ПУ) наносят лак, ламинат или даже компаунд. Через некоторое время проводят термообработку ПП (ПУ).
При осуществлении этого способа композиция проникает не только в объем подложки ПП, но и в прилегающий к поверхности подложки материал покрытия. При термообработке происходит последовательное или совместное отверждение материала покрытия и композиции в зоне, прилегающей к подложке ПП. Поскольку одновременно происходит полимеризация композиции и в объеме подложки, и в объеме покрытия, полимеризация происходит с образованием трехмерной полимерной сетки, при этом подложка и полимерное покрытие связываются в единое целое.
Способ 2 отличается тем, что на ПП сначала в полном объеме реализуют влагозащитное покрытие (нанесение + отверждение). Далее полимеризационное наполнение осуществляют так же, как и в базовой технологии. Отличия лишь в режимах его осуществления. На финише, так же как и в способе 1,
композиция полимеризуется одновременно в полимерном покрытии и в подложке, связывая их своей трехмерной полимерной сеткой в единое целое. Отличие – иной профиль распределения полимера-наполнителя.
Эпоксидная полимерная матрица стеклотекстолита – трехмерный полимер, полимерное покрытие в большинстве случаев трехмерный полимер, затвердевший полимер-наполнитель – также трехмерный полимер. Связывание подложки ПП и полимерного покрытия в обоих способах происходит с образованием топологических взаимопроникающих полимерных сеток, разорвать которые невозможно, не разрывая бесконечное множество очень прочных химических связей.
Если посмотреть со стороны, то решение этой частной проблемы позволило реализовать новые способы защиты ПП (ПУ) от влаги, превосходящие базовую технологию во многих отношениях. Из рис.3 следует, что новые способы защиты от влаги, кроме того, повышают эффективность "усиления" стеклотекстолита и "усиливают" влагозащитное полимерное покрытие, уменьшая его диффузионную проницаемость.
Базовая технология полимеризационного наполнения территориально размещается на предприятиях, изготавливающих ПП и/или производящих сборку радиоэлектронной аппаратуры. В последнем случае речь идет о полимеризационном наполнении готовых плат перед сборкой. На предприятиях-изготовителях ПП вариантов гораздо больше. Полимеризационное наполнение может быть финишной операцией изготовления ПП. Другие варианты предполагают встраивание этой технологии внутрь технологической цепочки изготовления ПП. Такая возможность появляется сразу же после вскрытия поверхности стеклотекстолита.
В базовом варианте имеет место градиентное распределение полимера-наполнителя в направлении, перпендикулярном плоскости ПП, – больше у поверхности и меньше в объеме (см. рис.3). В МПП, так же как и в двухсторонних ПП стандартной толщины (1,5 мм и более), происходит "усиление" только поверхностных слоев стеклотекстолита, тех самых слоев, которые несут максимальную ответственность за обеспечение влагостойкости ПП [14]. По целому ряду причин использование полимеризационного наполнения в базовом варианте для наполнения всего объема стеклотекстолита нецелесообразно.
Внутренние устремления
Внутренние устремления могут быть реализованы другими способами. Наполнение всего объема представляет интерес в первую очередь для МПП. Для таких плат объемное сопротивление изоляции не менее важно, чем поверхностное сопротивление изоляции. С другой стороны, именно в МПП такое пожелание проще всего реализовать.
В большинстве случаев МПП получается в результате объединения в единое целое нескольких слоев, которые представляют собой одно- или двухсторонние ПП либо их полуфабрикаты. Следовательно, имеется возможность провести полимеризующееся наполнение слоев "заранее". Как правило, толщина этих слоев невелика. Поэтому довольно просто можно перейти от градиентного распределения к равномерному распределению полимера-наполнителя по толщине слоев. Таким способом можно "усилить", как минимум, 50% объема диэлектрического основания МПП (за исключением склеивающих прокладок).
Больше всего распространены способы изготовления МПП, в которых для склеивания слоев используются препреги, представляющие собой стеклоткань, пропитанную чаще той же смолой, которая используется в склеиваемых слоях. При изготовлении МПП реализуется упрощенный вариант технологии, используемой при изготовлении стеклотекстолитов непосредственно на предприятиях-изготовителях базовых материалов. Препреги содержат в своем составе латентные отвердители. Латентные отвердители приобретают химическую активность лишь при высокой температуре (температуре прессования МПП). При обычной температуре скорость реакции отверждения смолы в препреге ничтожно мала. Но все же она не равна нулю. Об этом свидетельствуют ограниченный срок годности эпоксидных препрегов (от трех до девяти месяцев) и очень высокая чувствительность препрегов к условиям хранения.
Изменчивость состояния препрега очень часто является причиной появления дефектов МПП – расслоений. Трудно ожидать высокой адгезии при использовании "клеевого" подслоя, в котором смола частично уже затвердела. Расслоения возникают непосредственно в процессе изготовления ПП при проведении операций прессования, сверления отверстий, оплавления покрытия олово–свинец и при групповой пайке радиоэлементов. Многослойные платы с расслоениями в большинстве случаев ремонту не подлежат и отходят в брак. А стоимость таких плат в отдельных случаях достигает нескольких тысяч долларов.
Используя полимеризационное наполнение, можно улучшить адгезию между слоями МПП, особенно в тех случаях, когда препрег находится в состоянии, близком к некондиционному. Повышение текучести такой смолы на начальной стадии прессования можно достичь модификацией препрега. Проще всего уменьшить вязкость препрега, смачивая его органическим растворителем. Но по данным работы [19] такой способ дает обратный результат, уменьшая прочность склеивания, да еще и ухудшая физико-механические свойства диэлектрика. Такой результат был ожидаем, так как растворитель вскипает при температуре прессования в ограниченном объеме.
Иной результат может быть получен, если смачивать препрег и/или сопряженную с ним поверхность склеиваемых слоев композицией, способной к полимеризации [20]. Такого рода композиции, способные к отверждению совместно с эпоксидной смолой, известны. Регулируя соотношение мономера и инициатора полимеризации, можно подобрать состав композиции, которая затвердевает совместно и согласованно с эпоксидной смолой. Причем физико-механические свойства продуктов совместного отверждения могут даже превышать аналогичные свойства затвердевшей эпоксидной смолы. Такой эффект обычно связывают с образованием одновременных взаимопроникающих полимерных сеток [21]. Экспериментальные исследования подтвердили эффективность этого способа. Обеспечить высокую адгезию между склеиваемыми слоями удавалось даже при использовании препрегов со значительно (в 3–4 раза) просроченным сроком хранения. Используя такую технологию, можно распространить сферу действия полимеризационного наполнения и на оставшиеся 50% объема диэлектрического основания МПП.
А как быть, если расслоение в ПП уже имеется? В исключительных случаях нормативно-техническая документация допускает ремонт таких ПП [22]. Ремонт заключается в механическом удалении участка диэлектрика над расслоением и последующей заливке этого участка эпоксидным компаундом. Этот метод неприменим для насыщенных плат. Его нельзя применять и в тех случаях, когда расслоения расположены под проводниками. Механическое воздействие на стеклотекстолит способствует появлению в нем микроскопических расслоений, которые вязким эпоксидным компаундом, увы, не заполняются. Как следствие, у таких плат могут возникнуть проблемы с влагостойкостью.
Разработан способ ремонта диэлектрического основания ПП, обладающий большими функциональными возможностями. Основные отличия этого способа заключаются в том, что полости расслоений всего лишь вскрывают, например, сверлением, а затем заполняют композицией, способной полимеризоваться. Низкая вязкость такой композиции позволяет эффективно заполнить макро- и микроскопические расслоения. Кроме того, композиция проникает еще и в дефекты структуры диэлектрика, прилегающего к полости расслоения. Поэтому при последующем отверждении композиции происходит не только заполнение дефектной полости, но и одновременно связывание ограничивающих ее поверхностей. Такой способ был успешно реализован для ремонта плат с расслоениями, включая крупноформатные (450×250 мм) многослойные (до 24 слоев) ПП. Преимущества способа:
* возможность ремонта протяженных расслоений, в том числе расслоений, расположенных под печатными проводниками;
* возможность ремонта диэлектрического основания высоконасыщенных ПП;
* возможность ремонта диэлектрического основания не только в ПП, но и в ПУ;
* относительная безболезненность воздействия на диэлектрик ПП.
Металлизация отверстий
Внутренние устремления для всех видов ПП можно реализовать иным способом. Полимеризационное наполнение можно проводить непосредственно после формирования (сверления) отверстий в печатных платах. При реализации такого способа происходит модификация стеклотекстолита в кольцевых зонах вокруг отверстий по всей высоте диэлектрического основания печатной платы. Более того, модификация стеклотекстолита проводится именно в тех зонах, где это больше всего нужно.
Поскольку диффузионная проницаемость вдоль слоев стеклоткани гораздо больше, чем со стороны плоскости листа, с технической точки зрения эта задача решается намного проще. Появляется возможность провести полимеризационное наполнение практически во всем объеме стеклотекстолита. Причем, чем сложнее печатная плата и, следовательно, чем меньше шаг сетки переходных металлизированных отверстий, тем проще это техническое решение реализовать и тем выше будет эффект.
При реализации такой технологии одновременно с повышением влагостойкости печатных плат можно решить и другую не менее важную задачу – улучшение качества и надежности металлизации переходных отверстий [23]. Процесс химико-гальванической металлизации стенок переходных отверстий сложен, многостадиен и переживает в последние годы революционные изменения, свидетельство чему – массовый переход за рубежом на прямую металлизацию (DMS). Качество металлизации определяется многими факторами, один из которых – состояние поверхности, на которую ложится металлическое покрытие.
Дефекты металлизации переходных отверстий (разрывы) обычно появляются в процессе изготовления ПП, сборки ПУ или при их эксплуатации. Разрывы металлизации можно грубо разделить на явные и скрытые. К явным разрывам относятся непокрытые участки. Они появляются на начальной стадии химико-гальванической металлизации и воспроизводятся по цепочке технологического процесса в готовой ПП. Скрытые дефекты проявляются на финишных операциях изготовления и сборки ПП (оплавление, пайка).
Основные причины появления дефектов металлизации обоих типов следующие:
* отклонение от оптимальных режимов химико-гальванической металлизации,
* различие коэффициентов термического расширения стеклотекстолита и меди,
* появление в стенках отверстий разрывов и расслоений при сверлении отверстий.
Эти факторы влияют на качество металлизации переходных отверстий постоянно. Но дефекты металлизации появляются лишь тогда, когда их суммарное воздействие превышает критическую величину. В таком случае на производстве обычно начинается полоса массового брака.
В силу экономических причин для получения отверстий в массовом порядке используется высокопрецизионное сверление. Наличие в стеклотекстолите трех различных материалов (медь, стекло, эпоксидная смола), оптимальные режимы сверления которых не совпадают, а также его склонность к расслоениям, способствуют появлению на стенках просверленных отверстий полостей (разрывов, макро- и микроскопических расслоений). Последующие технологические операции (гидроабразивная обработка, травление диэлектрика, ионно-плазменная обработка и др.) частично устраняют или, наоборот, усугубляют эти дефекты.
Установлено, что дефекты металлизации (явные дефекты) часто совпадают с полостями в стенках отверстий. Видимо, это объясняется истощением растворов, используемых при металлизации, в застойных зонах полостей. Наиболее критичны узкие и глубокие полости.
В том случае, когда дефектные полости все же перекрываются "тентом" из металлического покрытия (скрытые дефекты), в них остается электролит, который при последующих термических ударах из-за вскипания в закрытом объеме вспучивает или разрывает покрытие. Выделение газа при пайке, происходящее из-за разрывов в металлизации стенок отверстий, известно под названием "out-gassing". Термические удары (резкий перепад температур) обычно возникают при изготовлении ПП (оплавление), сборке ПУ (пайка) и эксплуатации в экстремальных условиях. Негативное воздействие термических ударов усугубляется тем, что при переходе через температуру стеклования эпоксидной смолы резко увеличивается разница коэффициентов термического расширения стеклотекстолита и меди. Поэтому температура стеклования полимерной матрицы стеклотекстолита – один из важнейших показателей у разработчиков базовых материалов для ПП.
И, наконец, даже если нарушения металлического "тента" не произошло, остатки электролита в дефектной полости негативно сказываются на уровне сопротивления изоляции ПП при эксплуатации изделий во влажной атмосфере. В результате имеют место отказы ПП уже электрохимической природы. Высокая надежность ПП, особенно МПП, обеспечивается еще и высоким уровнем сопротивления изоляции диэлектрической подложки. С этой точки зрения стеклотекстолиты – далеко не лучший материал для подложки ПП. При длительной эксплуатации ПП из-за миграции меди, которая идет в основном вдоль волокон стеклоткани, отмечается значительное ухудшение диэлектрических характеристик изоляционного основания. Так, сопротивление изоляции в ПП, изготовленных из стеклотекстолита FR-4, после длительной выдержки при температуре 50°С, относительной влажности воздуха 80% и напряжении постоянного тока 80 В снижается вплоть до нуля [24]. А если есть ионогенные загрязнения, остающиеся в полости под металлическим "тентом", слово "длительной" в предыдущей фразе можно будет смело убрать. Следовательно, даже сама ликвидация этих полостей позволит повысить уровень сопротивления изоляции ПП.
Полностью исключить вероятность появления дефектов поверхности стеклотекстолита в стенках отверстий технически очень сложно. А вот при проведении полимеризационного наполнения ПП после формирования отверстий такие дефекты устраняются автоматически.
Дефекты МПП в виде непокрытых участков стенок отверстий после проведения химического меднения и гальванической затяжки обычно пытаются устранить стравливанием меди и проведением повторной металлизации. Такие переходы (стравливание – меднение) иногда повторяют многократно. Результатом чаще всего становится расширение полостей в стенках отверстий и отход МПП в брак. Для проведения экспериментов была выбрана такая предельно растравленная заготовка МПП с расслоениями (ореолами) вокруг просверленных отверстий.
На рис.4 показаны фрагменты шлифов переходных металлизированных отверстий МПП без полимеризационого наполнения (а) и с полимеризационным наполнением (б). Медное покрытие (химически осажденная медь + гальваническая затяжка) напоминает гребенку, зубья которой погружены в расслоения на глубину 10–30 мкм при общей глубине полостей до 1,5 мм (см. рис.4а). Величина зубьев, очевидно, ограничивается истощением используемых химических реагентов в глубоких полостях. Дефектные полости (расслоения) в стенках отверстий полностью заполняются полимером-наполнителем. Об этом свидетельствует отсутствие зубьев на медном покрытии (см. рис.4б). Стенки переходных отверстий ровные. Покрытие сплошное. Загрязнение торцов внутренних контактных площадок отсутствует, что обеспечивает соединение проводящих слоев МПП металлическими пистонами без образования разделительного слоя. На финише (после завершения всех операций технологического цикла) разрывы в покрытии также отсутствуют.
Многослойные ПП, изготовленные из таких дефектных заготовок с использованием полимеризационного наполнения, успешно прошли испытания по ГОСТ 23752-79 в объеме периодических испытаний по третьей группе жесткости.
Реалии и перспективы
Варианты использования полимеризационного наполнения покрытий ПП очень важны. Они ранее не встречались в мировой практике. То же самое можно сказать и о технологии полимеризационного наполнения в целом. Следует акцентировать внимание еще и на том, что полимеризационное наполнение полимерного покрытия позволяет уменьшить диффузионную проницаемость покрытия, т.е. улучшить основную функцию полимерного покрытия.
Говоря о диэлектрической подложке ПП, с большой долей вероятности имеют в виду стеклотекстолит с эпоксидным связующим. Для такого материала технологии полимеризационного наполнения также отработаны. Положительные результаты были зафиксированы и по отношению к базовым материалам с другим полимерным связующим, например, полиимидом. Такие технологии эффективны и по отношению к полимерным покрытиям полиэфирной и эпоксидно-полиэфирной природы (следовательно, она эффективна и по отношению к защитным паяльным маскам). Полимеризационное наполнение оказалось очень эффективным для снижения торцевого водопоглощения стеклотекстолитов вообще и в частности для стеклотекстолитов на основе фторопластов (ФАФ). Как видно, технологии полимеризационного наполнения оказались достаточно универсальными.
Полимерные влагозащитные покрытия эпоксидной природы не занимают доминирующего положения. И хотя по отношению к этим покрытиям полимеризационное наполнение также эффективно, технологии полимеризационного наполнения полимерных покрытий не так универсальны. В ряде случаев требуется индивидуальный подход, например, когда реализуются не последовательные, а одновременные взаимопроникающие полимерные сетки. Совместное отверждение двух полимерных сеток, осуществляемое по различным механизмам, индивидуально, и один процесс может помешать другому.
Обобщая, можно сказать, что существуют несколько направлений развития принципиально новой технологии полимеризационного наполнения. В одних направлениях (печатные платы) мы продвинулись довольно далеко, в других (полимерные покрытия) мы находимся еще в начале пути. В зависимости от решаемых задач можно выделить несколько основных направлений.
Изначально она мыслилась как ремонтная технология. Была создана технология, способная совершать "чудеса". Она позволила увеличивать сопротивление изоляции в ПП от единиц ом до десятков тысяч мегом. Эта технология в течение нескольких лет использовалась на серийных предприятиях для ремонта МПП. Она позволяет восстанавливать около 70% плат, забракованных по низкому уровню сопротивления изоляции. Такие платы успешно прошли соответствующие испытания по ГОСТ 23752-79. Ремонтная технология очень привлекательна потому, что сразу же дает реальный экономический эффект.
При массовом использовании технологии полимеризационного наполнения можно получить другой результат – повышение влагостойкости РЭА при эксплуатации в экстремальных условиях. Такой вариант использования технологии требует дополнительных затрат в процессе изготовления ПП и/или сборки РЭА. Но эти затраты многократно окупаются в будущем.
Микроминиатюризация в электронике неизбежно ведет к дальнейшей миниатюризации ПП. В технологии изготовления ПП идет борьба пока всего лишь за десятки микронов. Лимитирующим фактором в этой борьбе являются базовые материалы ПП. Полимеризационное наполнение стало одним из путей повышения качества базовых материалов. Оно оказалось очень эффективным для модификации отечественных стеклотекстолитов. Эффективность этой технологии подчинялась принципу "чем хуже стеклотекстолит, тем выше эффект". Предполагалось, что для модификации зарубежных базовых материалов эта эффективность окажется минимальной. Но действительность опровергла это предположение. Полимеризационное наполнение значительно улучшает диэлектрические характеристики самых современных базовых материалов зарубежного производства и, следовательно, позволяет сделать очередной шаг на пути миниатюризации ПП.
Литература
14. Медведев A.M. Надежность и контроль качества печатного монтажа. – М.: Радио и связь, 1986.
15. Уразаев В. Повышение надежности МПП //
Схемотехника, 2002, № 6.
16. http://www.urazaev.narod.ru.
17. Уразаев В.Г. Способ влагозащиты ПП.
Пат. РФ № 2265976. Приоритет от 14.01.2004 г.
18. Уразаев В.Г. Способ влагозащиты ПП.
Пат. РФ № 2265975. Приоритет от 29.12.2003 г.
19. Ошарин В.И. и др. Многослойный печатный монтаж в приборостроении, автоматике и вычислительной технике. – М.: Машиностроение, 1978.
20. Уразаев В.Г. Расслоения в подложках ПП и методы борьбы с ними // Радиопромышленность, 1
994, № 4.
21. Сперлинг Л. Взаимопроникающие полимерные сетки и аналогичные материалы / Пер. с англ. –
М.: Мир, 1984.
22. ГОСТ 27200-87. Платы печатные. Правила ремонта.
23. Уразаев В. Повышение надежности металлизированных переходов в печатных платах // Электроника: НТБ, 2002, № 5.
24. Biglia R. Neue Materialien fur Mehrlagen-Leiterplatten // Elektronik Produktion und Pruftechnik,
1984, №. 9.
В отечественной и зарубежной практике получили распространение преимущественно субтрактивные методы изготовления ПП. Исходными базовыми материалами в таких технологиях являются фольгированные стеклотекстолиты. Времена, когда операции изготовления стеклотекстолита и его фольгирования были разнесены во времени, ушли в далекое прошлое. Клей БФР был вытеснен из технологии изготовления фольгированных стеклотекстолитов. Практически все фольгированные стеклотекстолиты ныне изготавливаются "бесклеевым" методом, в котором процессы отверждения эпоксидного ламината и его склеивания с медной фольгой совмещены. Поверхность стеклотекстолита открывается лишь в процессе изготовления ПП после проведения операции травления фольги. Поэтому полимеризационное наполнение становится возможным только в цехах предприятий, изготавливающих ПП и/или проводящих сборку радиоэлектронной аппаратуры, а прием "сделать заранее" целесообразно использовать лишь по отношению к нефольгированным базовым материалам, которые используются преимущественно в аддитивных или полуаддитивных технологиях изготовления ПП. Полимеризационное наполнение (базовая технология) основано на том, что жидкая композиция на основе бифункциональных мономеров заполняет дефекты структуры подложки ПП (стеклотекстолита), а затем при термообработке происходит полимеризация (отверждение) этой композиции в объеме подложки [16]. Таким образом, происходит своеобразное наполнение одного полимера другим полимером. При этом происходят благоприятные во всех отношениях изменения в подложке ПП: уменьшение пористости, уменьшение водопоглощения, уменьшение диффузионной проницаемости и, наоборот, увеличение уровня сопротивления изоляции.
Базовая технология полимеризационного наполнения, "усиливая" поверхностный слой стеклотекстолита и вследствие этого уменьшая токовые утечки через этот слой, уже в какой-то степени решает проблему защиты от влаги. Кардинально решить эту проблему и не только эту могут два других способа защиты плат от влаги, также основанные на полимеризационном наполнении [17, 18].
Полимерные покрытия, на первый взгляд, представляют собой монолит. Но в этом монолите также имеются поры. Наличие пор подтверждает, например, такой известный факт – многослойное и однослойное покрытие одинаковой толщины отличаются по своей диффузионной проницаемости. У многослойного покрытия она меньше, поскольку поры одного слоя в общем случае не совпадают с порами другого слоя. Электронно-микроскопические исследования также подтверждают описанные результаты. Поверхность полимерного покрытия так же, как и поверхность стеклотекстолита, представляет собой сильно разветвленную шероховатую структуру с многочисленными порами различного диаметра и глубины. В полимерных покрытиях имеет место и иная пористость – неоднородность структуры полимеров характерна не только для связующих композиционных материалов, но и для связующих полимерных покрытий. Следовательно, в полимерных покрытиях имеются все необходимые и достаточные условия для проявления эффекта полимеризационного наполнения.
Распределение полимера-наполнителя по толщине печатного узла (ПУ) в базовой технологии и в способах 1 и 2 показано на рис.3.
Способ 1 может быть реализован следующим образом. Первая стадия – заполнение композицией (мономерной), способной к полимеризации, дефектов структуры стеклотекстолита осуществляется так же, как и в базовой технологии. Далее на поверхность ПП (ПУ) наносят лак, ламинат или даже компаунд. Через некоторое время проводят термообработку ПП (ПУ).
При осуществлении этого способа композиция проникает не только в объем подложки ПП, но и в прилегающий к поверхности подложки материал покрытия. При термообработке происходит последовательное или совместное отверждение материала покрытия и композиции в зоне, прилегающей к подложке ПП. Поскольку одновременно происходит полимеризация композиции и в объеме подложки, и в объеме покрытия, полимеризация происходит с образованием трехмерной полимерной сетки, при этом подложка и полимерное покрытие связываются в единое целое.
Способ 2 отличается тем, что на ПП сначала в полном объеме реализуют влагозащитное покрытие (нанесение + отверждение). Далее полимеризационное наполнение осуществляют так же, как и в базовой технологии. Отличия лишь в режимах его осуществления. На финише, так же как и в способе 1,
композиция полимеризуется одновременно в полимерном покрытии и в подложке, связывая их своей трехмерной полимерной сеткой в единое целое. Отличие – иной профиль распределения полимера-наполнителя.
Эпоксидная полимерная матрица стеклотекстолита – трехмерный полимер, полимерное покрытие в большинстве случаев трехмерный полимер, затвердевший полимер-наполнитель – также трехмерный полимер. Связывание подложки ПП и полимерного покрытия в обоих способах происходит с образованием топологических взаимопроникающих полимерных сеток, разорвать которые невозможно, не разрывая бесконечное множество очень прочных химических связей.
Если посмотреть со стороны, то решение этой частной проблемы позволило реализовать новые способы защиты ПП (ПУ) от влаги, превосходящие базовую технологию во многих отношениях. Из рис.3 следует, что новые способы защиты от влаги, кроме того, повышают эффективность "усиления" стеклотекстолита и "усиливают" влагозащитное полимерное покрытие, уменьшая его диффузионную проницаемость.
Базовая технология полимеризационного наполнения территориально размещается на предприятиях, изготавливающих ПП и/или производящих сборку радиоэлектронной аппаратуры. В последнем случае речь идет о полимеризационном наполнении готовых плат перед сборкой. На предприятиях-изготовителях ПП вариантов гораздо больше. Полимеризационное наполнение может быть финишной операцией изготовления ПП. Другие варианты предполагают встраивание этой технологии внутрь технологической цепочки изготовления ПП. Такая возможность появляется сразу же после вскрытия поверхности стеклотекстолита.
В базовом варианте имеет место градиентное распределение полимера-наполнителя в направлении, перпендикулярном плоскости ПП, – больше у поверхности и меньше в объеме (см. рис.3). В МПП, так же как и в двухсторонних ПП стандартной толщины (1,5 мм и более), происходит "усиление" только поверхностных слоев стеклотекстолита, тех самых слоев, которые несут максимальную ответственность за обеспечение влагостойкости ПП [14]. По целому ряду причин использование полимеризационного наполнения в базовом варианте для наполнения всего объема стеклотекстолита нецелесообразно.
Внутренние устремления
Внутренние устремления могут быть реализованы другими способами. Наполнение всего объема представляет интерес в первую очередь для МПП. Для таких плат объемное сопротивление изоляции не менее важно, чем поверхностное сопротивление изоляции. С другой стороны, именно в МПП такое пожелание проще всего реализовать.
В большинстве случаев МПП получается в результате объединения в единое целое нескольких слоев, которые представляют собой одно- или двухсторонние ПП либо их полуфабрикаты. Следовательно, имеется возможность провести полимеризующееся наполнение слоев "заранее". Как правило, толщина этих слоев невелика. Поэтому довольно просто можно перейти от градиентного распределения к равномерному распределению полимера-наполнителя по толщине слоев. Таким способом можно "усилить", как минимум, 50% объема диэлектрического основания МПП (за исключением склеивающих прокладок).
Больше всего распространены способы изготовления МПП, в которых для склеивания слоев используются препреги, представляющие собой стеклоткань, пропитанную чаще той же смолой, которая используется в склеиваемых слоях. При изготовлении МПП реализуется упрощенный вариант технологии, используемой при изготовлении стеклотекстолитов непосредственно на предприятиях-изготовителях базовых материалов. Препреги содержат в своем составе латентные отвердители. Латентные отвердители приобретают химическую активность лишь при высокой температуре (температуре прессования МПП). При обычной температуре скорость реакции отверждения смолы в препреге ничтожно мала. Но все же она не равна нулю. Об этом свидетельствуют ограниченный срок годности эпоксидных препрегов (от трех до девяти месяцев) и очень высокая чувствительность препрегов к условиям хранения.
Изменчивость состояния препрега очень часто является причиной появления дефектов МПП – расслоений. Трудно ожидать высокой адгезии при использовании "клеевого" подслоя, в котором смола частично уже затвердела. Расслоения возникают непосредственно в процессе изготовления ПП при проведении операций прессования, сверления отверстий, оплавления покрытия олово–свинец и при групповой пайке радиоэлементов. Многослойные платы с расслоениями в большинстве случаев ремонту не подлежат и отходят в брак. А стоимость таких плат в отдельных случаях достигает нескольких тысяч долларов.
Используя полимеризационное наполнение, можно улучшить адгезию между слоями МПП, особенно в тех случаях, когда препрег находится в состоянии, близком к некондиционному. Повышение текучести такой смолы на начальной стадии прессования можно достичь модификацией препрега. Проще всего уменьшить вязкость препрега, смачивая его органическим растворителем. Но по данным работы [19] такой способ дает обратный результат, уменьшая прочность склеивания, да еще и ухудшая физико-механические свойства диэлектрика. Такой результат был ожидаем, так как растворитель вскипает при температуре прессования в ограниченном объеме.
Иной результат может быть получен, если смачивать препрег и/или сопряженную с ним поверхность склеиваемых слоев композицией, способной к полимеризации [20]. Такого рода композиции, способные к отверждению совместно с эпоксидной смолой, известны. Регулируя соотношение мономера и инициатора полимеризации, можно подобрать состав композиции, которая затвердевает совместно и согласованно с эпоксидной смолой. Причем физико-механические свойства продуктов совместного отверждения могут даже превышать аналогичные свойства затвердевшей эпоксидной смолы. Такой эффект обычно связывают с образованием одновременных взаимопроникающих полимерных сеток [21]. Экспериментальные исследования подтвердили эффективность этого способа. Обеспечить высокую адгезию между склеиваемыми слоями удавалось даже при использовании препрегов со значительно (в 3–4 раза) просроченным сроком хранения. Используя такую технологию, можно распространить сферу действия полимеризационного наполнения и на оставшиеся 50% объема диэлектрического основания МПП.
А как быть, если расслоение в ПП уже имеется? В исключительных случаях нормативно-техническая документация допускает ремонт таких ПП [22]. Ремонт заключается в механическом удалении участка диэлектрика над расслоением и последующей заливке этого участка эпоксидным компаундом. Этот метод неприменим для насыщенных плат. Его нельзя применять и в тех случаях, когда расслоения расположены под проводниками. Механическое воздействие на стеклотекстолит способствует появлению в нем микроскопических расслоений, которые вязким эпоксидным компаундом, увы, не заполняются. Как следствие, у таких плат могут возникнуть проблемы с влагостойкостью.
Разработан способ ремонта диэлектрического основания ПП, обладающий большими функциональными возможностями. Основные отличия этого способа заключаются в том, что полости расслоений всего лишь вскрывают, например, сверлением, а затем заполняют композицией, способной полимеризоваться. Низкая вязкость такой композиции позволяет эффективно заполнить макро- и микроскопические расслоения. Кроме того, композиция проникает еще и в дефекты структуры диэлектрика, прилегающего к полости расслоения. Поэтому при последующем отверждении композиции происходит не только заполнение дефектной полости, но и одновременно связывание ограничивающих ее поверхностей. Такой способ был успешно реализован для ремонта плат с расслоениями, включая крупноформатные (450×250 мм) многослойные (до 24 слоев) ПП. Преимущества способа:
* возможность ремонта протяженных расслоений, в том числе расслоений, расположенных под печатными проводниками;
* возможность ремонта диэлектрического основания высоконасыщенных ПП;
* возможность ремонта диэлектрического основания не только в ПП, но и в ПУ;
* относительная безболезненность воздействия на диэлектрик ПП.
Металлизация отверстий
Внутренние устремления для всех видов ПП можно реализовать иным способом. Полимеризационное наполнение можно проводить непосредственно после формирования (сверления) отверстий в печатных платах. При реализации такого способа происходит модификация стеклотекстолита в кольцевых зонах вокруг отверстий по всей высоте диэлектрического основания печатной платы. Более того, модификация стеклотекстолита проводится именно в тех зонах, где это больше всего нужно.
Поскольку диффузионная проницаемость вдоль слоев стеклоткани гораздо больше, чем со стороны плоскости листа, с технической точки зрения эта задача решается намного проще. Появляется возможность провести полимеризационное наполнение практически во всем объеме стеклотекстолита. Причем, чем сложнее печатная плата и, следовательно, чем меньше шаг сетки переходных металлизированных отверстий, тем проще это техническое решение реализовать и тем выше будет эффект.
При реализации такой технологии одновременно с повышением влагостойкости печатных плат можно решить и другую не менее важную задачу – улучшение качества и надежности металлизации переходных отверстий [23]. Процесс химико-гальванической металлизации стенок переходных отверстий сложен, многостадиен и переживает в последние годы революционные изменения, свидетельство чему – массовый переход за рубежом на прямую металлизацию (DMS). Качество металлизации определяется многими факторами, один из которых – состояние поверхности, на которую ложится металлическое покрытие.
Дефекты металлизации переходных отверстий (разрывы) обычно появляются в процессе изготовления ПП, сборки ПУ или при их эксплуатации. Разрывы металлизации можно грубо разделить на явные и скрытые. К явным разрывам относятся непокрытые участки. Они появляются на начальной стадии химико-гальванической металлизации и воспроизводятся по цепочке технологического процесса в готовой ПП. Скрытые дефекты проявляются на финишных операциях изготовления и сборки ПП (оплавление, пайка).
Основные причины появления дефектов металлизации обоих типов следующие:
* отклонение от оптимальных режимов химико-гальванической металлизации,
* различие коэффициентов термического расширения стеклотекстолита и меди,
* появление в стенках отверстий разрывов и расслоений при сверлении отверстий.
Эти факторы влияют на качество металлизации переходных отверстий постоянно. Но дефекты металлизации появляются лишь тогда, когда их суммарное воздействие превышает критическую величину. В таком случае на производстве обычно начинается полоса массового брака.
В силу экономических причин для получения отверстий в массовом порядке используется высокопрецизионное сверление. Наличие в стеклотекстолите трех различных материалов (медь, стекло, эпоксидная смола), оптимальные режимы сверления которых не совпадают, а также его склонность к расслоениям, способствуют появлению на стенках просверленных отверстий полостей (разрывов, макро- и микроскопических расслоений). Последующие технологические операции (гидроабразивная обработка, травление диэлектрика, ионно-плазменная обработка и др.) частично устраняют или, наоборот, усугубляют эти дефекты.
Установлено, что дефекты металлизации (явные дефекты) часто совпадают с полостями в стенках отверстий. Видимо, это объясняется истощением растворов, используемых при металлизации, в застойных зонах полостей. Наиболее критичны узкие и глубокие полости.
В том случае, когда дефектные полости все же перекрываются "тентом" из металлического покрытия (скрытые дефекты), в них остается электролит, который при последующих термических ударах из-за вскипания в закрытом объеме вспучивает или разрывает покрытие. Выделение газа при пайке, происходящее из-за разрывов в металлизации стенок отверстий, известно под названием "out-gassing". Термические удары (резкий перепад температур) обычно возникают при изготовлении ПП (оплавление), сборке ПУ (пайка) и эксплуатации в экстремальных условиях. Негативное воздействие термических ударов усугубляется тем, что при переходе через температуру стеклования эпоксидной смолы резко увеличивается разница коэффициентов термического расширения стеклотекстолита и меди. Поэтому температура стеклования полимерной матрицы стеклотекстолита – один из важнейших показателей у разработчиков базовых материалов для ПП.
И, наконец, даже если нарушения металлического "тента" не произошло, остатки электролита в дефектной полости негативно сказываются на уровне сопротивления изоляции ПП при эксплуатации изделий во влажной атмосфере. В результате имеют место отказы ПП уже электрохимической природы. Высокая надежность ПП, особенно МПП, обеспечивается еще и высоким уровнем сопротивления изоляции диэлектрической подложки. С этой точки зрения стеклотекстолиты – далеко не лучший материал для подложки ПП. При длительной эксплуатации ПП из-за миграции меди, которая идет в основном вдоль волокон стеклоткани, отмечается значительное ухудшение диэлектрических характеристик изоляционного основания. Так, сопротивление изоляции в ПП, изготовленных из стеклотекстолита FR-4, после длительной выдержки при температуре 50°С, относительной влажности воздуха 80% и напряжении постоянного тока 80 В снижается вплоть до нуля [24]. А если есть ионогенные загрязнения, остающиеся в полости под металлическим "тентом", слово "длительной" в предыдущей фразе можно будет смело убрать. Следовательно, даже сама ликвидация этих полостей позволит повысить уровень сопротивления изоляции ПП.
Полностью исключить вероятность появления дефектов поверхности стеклотекстолита в стенках отверстий технически очень сложно. А вот при проведении полимеризационного наполнения ПП после формирования отверстий такие дефекты устраняются автоматически.
Дефекты МПП в виде непокрытых участков стенок отверстий после проведения химического меднения и гальванической затяжки обычно пытаются устранить стравливанием меди и проведением повторной металлизации. Такие переходы (стравливание – меднение) иногда повторяют многократно. Результатом чаще всего становится расширение полостей в стенках отверстий и отход МПП в брак. Для проведения экспериментов была выбрана такая предельно растравленная заготовка МПП с расслоениями (ореолами) вокруг просверленных отверстий.
На рис.4 показаны фрагменты шлифов переходных металлизированных отверстий МПП без полимеризационого наполнения (а) и с полимеризационным наполнением (б). Медное покрытие (химически осажденная медь + гальваническая затяжка) напоминает гребенку, зубья которой погружены в расслоения на глубину 10–30 мкм при общей глубине полостей до 1,5 мм (см. рис.4а). Величина зубьев, очевидно, ограничивается истощением используемых химических реагентов в глубоких полостях. Дефектные полости (расслоения) в стенках отверстий полностью заполняются полимером-наполнителем. Об этом свидетельствует отсутствие зубьев на медном покрытии (см. рис.4б). Стенки переходных отверстий ровные. Покрытие сплошное. Загрязнение торцов внутренних контактных площадок отсутствует, что обеспечивает соединение проводящих слоев МПП металлическими пистонами без образования разделительного слоя. На финише (после завершения всех операций технологического цикла) разрывы в покрытии также отсутствуют.
Многослойные ПП, изготовленные из таких дефектных заготовок с использованием полимеризационного наполнения, успешно прошли испытания по ГОСТ 23752-79 в объеме периодических испытаний по третьей группе жесткости.
Реалии и перспективы
Варианты использования полимеризационного наполнения покрытий ПП очень важны. Они ранее не встречались в мировой практике. То же самое можно сказать и о технологии полимеризационного наполнения в целом. Следует акцентировать внимание еще и на том, что полимеризационное наполнение полимерного покрытия позволяет уменьшить диффузионную проницаемость покрытия, т.е. улучшить основную функцию полимерного покрытия.
Говоря о диэлектрической подложке ПП, с большой долей вероятности имеют в виду стеклотекстолит с эпоксидным связующим. Для такого материала технологии полимеризационного наполнения также отработаны. Положительные результаты были зафиксированы и по отношению к базовым материалам с другим полимерным связующим, например, полиимидом. Такие технологии эффективны и по отношению к полимерным покрытиям полиэфирной и эпоксидно-полиэфирной природы (следовательно, она эффективна и по отношению к защитным паяльным маскам). Полимеризационное наполнение оказалось очень эффективным для снижения торцевого водопоглощения стеклотекстолитов вообще и в частности для стеклотекстолитов на основе фторопластов (ФАФ). Как видно, технологии полимеризационного наполнения оказались достаточно универсальными.
Полимерные влагозащитные покрытия эпоксидной природы не занимают доминирующего положения. И хотя по отношению к этим покрытиям полимеризационное наполнение также эффективно, технологии полимеризационного наполнения полимерных покрытий не так универсальны. В ряде случаев требуется индивидуальный подход, например, когда реализуются не последовательные, а одновременные взаимопроникающие полимерные сетки. Совместное отверждение двух полимерных сеток, осуществляемое по различным механизмам, индивидуально, и один процесс может помешать другому.
Обобщая, можно сказать, что существуют несколько направлений развития принципиально новой технологии полимеризационного наполнения. В одних направлениях (печатные платы) мы продвинулись довольно далеко, в других (полимерные покрытия) мы находимся еще в начале пути. В зависимости от решаемых задач можно выделить несколько основных направлений.
Изначально она мыслилась как ремонтная технология. Была создана технология, способная совершать "чудеса". Она позволила увеличивать сопротивление изоляции в ПП от единиц ом до десятков тысяч мегом. Эта технология в течение нескольких лет использовалась на серийных предприятиях для ремонта МПП. Она позволяет восстанавливать около 70% плат, забракованных по низкому уровню сопротивления изоляции. Такие платы успешно прошли соответствующие испытания по ГОСТ 23752-79. Ремонтная технология очень привлекательна потому, что сразу же дает реальный экономический эффект.
При массовом использовании технологии полимеризационного наполнения можно получить другой результат – повышение влагостойкости РЭА при эксплуатации в экстремальных условиях. Такой вариант использования технологии требует дополнительных затрат в процессе изготовления ПП и/или сборки РЭА. Но эти затраты многократно окупаются в будущем.
Микроминиатюризация в электронике неизбежно ведет к дальнейшей миниатюризации ПП. В технологии изготовления ПП идет борьба пока всего лишь за десятки микронов. Лимитирующим фактором в этой борьбе являются базовые материалы ПП. Полимеризационное наполнение стало одним из путей повышения качества базовых материалов. Оно оказалось очень эффективным для модификации отечественных стеклотекстолитов. Эффективность этой технологии подчинялась принципу "чем хуже стеклотекстолит, тем выше эффект". Предполагалось, что для модификации зарубежных базовых материалов эта эффективность окажется минимальной. Но действительность опровергла это предположение. Полимеризационное наполнение значительно улучшает диэлектрические характеристики самых современных базовых материалов зарубежного производства и, следовательно, позволяет сделать очередной шаг на пути миниатюризации ПП.
Литература
14. Медведев A.M. Надежность и контроль качества печатного монтажа. – М.: Радио и связь, 1986.
15. Уразаев В. Повышение надежности МПП //
Схемотехника, 2002, № 6.
16. http://www.urazaev.narod.ru.
17. Уразаев В.Г. Способ влагозащиты ПП.
Пат. РФ № 2265976. Приоритет от 14.01.2004 г.
18. Уразаев В.Г. Способ влагозащиты ПП.
Пат. РФ № 2265975. Приоритет от 29.12.2003 г.
19. Ошарин В.И. и др. Многослойный печатный монтаж в приборостроении, автоматике и вычислительной технике. – М.: Машиностроение, 1978.
20. Уразаев В.Г. Расслоения в подложках ПП и методы борьбы с ними // Радиопромышленность, 1
994, № 4.
21. Сперлинг Л. Взаимопроникающие полимерные сетки и аналогичные материалы / Пер. с англ. –
М.: Мир, 1984.
22. ГОСТ 27200-87. Платы печатные. Правила ремонта.
23. Уразаев В. Повышение надежности металлизированных переходов в печатных платах // Электроника: НТБ, 2002, № 5.
24. Biglia R. Neue Materialien fur Mehrlagen-Leiterplatten // Elektronik Produktion und Pruftechnik,
1984, №. 9.
Отзывы читателей
