Выпуск #5/2012
А.Медведев
перспективы развития технологий электрических межсоединений в электронном приборостроении
перспективы развития технологий электрических межсоединений в электронном приборостроении
Просмотры: 2612
Сегодня мировая электроника стоит на пороге очередной генерации технологий межсоединений, чтобы соответствовать растущей интеграции электронной компонентной базы. В этом плане российским предприятиям предстоит решать задачи Государственной программы "Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности" на 2020–2025 годы. Будет ли развитие электроники по-прежнему подчиняться закону Мура? Будет ли вслед за этим увеличиваться плотность межсоединений по правилу Рента? Постараемся ответить на эти вопросы.
Теги: interconnections pcb primery materials solder mask базовые материалы межсоединения паяльные маски печатные платы
Развитие электронного приборостроения сопровождается увеличением плотности активных элементов на кристалле примерно на 75% в год, а это, в свою очередь, вызывает необходимость в увеличении количества выводов на корпусе на 40% в год. Этим обуславливается постоянно растущий спрос на новые методы корпусирования, а вслед за этим – на увеличение плотности межсоединений на печатных платах, на улучшение теплоотвода и увеличение токонесущей способности силовых цепей [1].
В результате общих тенденций площадь монтажных подложек уменьшается в год примерно на 7%, а физические размеры электронной аппаратуры – на 10–20%. Это сопровождается непрерывным увеличением плотности межсоединений за счет уменьшения элементов печатного монтажа – ширины проводников и зазоров, отверстий и контактных площадок, пространственного (послойного) распределения межслойных переходов (используются сквозные, глухие, слепые отверстия). Это, в свою очередь, влияет на производство печатных плат: повышается стоимость основных фондов, увеличиваются объемы прямых издержек и продолжительность цикла [2]. Технологии печатных плат постоянно развиваются – появляются новые приемы и операции, расширяются их возможности за счет использования прецизионного оборудования, более качественных материалов и инструментов. От состояния технологий производства печатных плат непосредственно зависят масса и габариты электронной аппаратуры, ее функциональность, производительность, надежность, устойчивость к внешним воздействующим факторам.
В отечественной и зарубежной практике постоянно совершенствуются известные методы межсоединений и ведется непрерывный поиск новых. Ежемесячно публикуются сотни патентов, описывающих новые процессы и операции. Нередко в технологии монтажа появлялись и методы, сопровождавшиеся громкой рекламой, но на практике они оказывались маловыгодными, ненадежными или имели ограниченное применение. Ежегодные международные конференции, симпозиумы способствуют отбору выверенных решений, появлению новых базовых технологий, для которых разрабатываются стандарты, оборудование и материалы. На их основе строятся новые производства с многомиллионными вложениями капитала.
Чтобы повысить плотность монтажа кремниевых кристаллов, необходимо изменить некоторые стандартные представления. В настоящее время промышленность находится на уровне, который характеризуется шагом выводов 0,8 мм, шириной проводников 100 мкм, диаметром переходных отверстий 100 мкм и размером контактных площадок 0,25 мм. В дальнейшем появится необходимость установки на платы компонентов в микрокорпусах с шагом выводов 0,25 мм и бескорпусных кристаллов с шагом выводов 0,1 мм. Это и есть главные тенденции в эволюции межсоединений (рис.1, табл.1) [3]. Исходя из этих данных, можно выделить основные проблемы развития технологий (рис.2) [4]. Рассмотрим эти проблемы и способы их решения более подробно.
Базовые материалы. Свой-ства базовых материалов определяют технологичность и технический уровень печатных плат, их устойчивость к внешним воздействиям. Производство базовых материалов – очень капиталоемкое и потому инертное. Успехи в развитии этого производства связаны с качеством полуфабрикатов, поставляемых совершенно разнородными промышленными предприятиями: химическими, металлургическими, металлообрабатывающими и электротехническими. Объединить и направить их на выполнение одной цели очень трудно, но от их успехов напрямую зависит улучшение свойств таких основных композиционных материалов, как фольгированные стеклопластики и пленки [5].
Самая большая проблема в области базовых материалов – малые объемы производства российской электроники (0,5% от мирового объема), что делает нерентабельным их отечественное производство. Многие отечественные поставщики фольгированных диэлектриков разорились, сегодня на российском рынке осталась единственная фирма – НТЦ "ЭЛИФОМ", выжившая за счет хорошего научно-технического потенциала.
Кроме непрерывного улучшения существующих материалов для удовлетворения потребностей будущего необходимо разработать и новые материалы. Например, для изделий с высокой плотностью межсоединений или корпусов кристаллов срочно требуются материалы, позволяющие выполнять лазерную резку или формировать проводники малой ширины. Также будут востребованы новые материалы, упрощающие встраивание компонентов в платы или улучшающие электрические и тепловые характеристики (табл.2). Проблема заключается в том, что именно сегодня надо спрогнозировать, когда и как эти новые материалы будут получены в производстве печатных плат.
Среди множества проблем, с которыми сегодня сталкиваются производители материалов для изготовления печатных плат, – это получение все более тонких и плотных структур в связи с постоянно растущим спросом на портативные изделия и разработка СВЧ-материалов, работающих в гигагерцовом диапазоне на значительных уровнях мощности. Надо сказать, что материалы с высокочастотными свойствами пока изучены мало, и потребуется большой объем работ, чтобы разработать и внедрить технологию их производства.
Таким образом, должны быть усовершенствованы и разработаны:
материалы и процессы для плат со встроенными компонентами (резисторы, индуктивности и конденсаторы);
пластики повышенной жесткости с улучшенными тепловыми характеристиками;
тонкие базовые материалы для микропереходных отверстий;
тонкая металлическая фольга без пор (без проколов);
материалы армирования, альтернативные стеклу, для очень тонких внутренних слоев многослойных плат;
материалы с низкой диэлектрической проницаемостью для высокочастотных и радиочастотных изделий, а также технологические методы обработки этих материалов;
безгалогенные базовые материалы для решения экологических проблем.
В будущем возможна жесткая конкуренция между передачей данных по каналам на основе меди и на основе волоконной оптики в диапазоне 5–10 ГГц. Однако необходимо продолжить работы по совершенствованию материалов и процессов в области медных печатных плат. Это может продлить срок использования отработанных технологий на основе меди в этом частотном диапазоне.
Материалы для формирования внутренних пассивных компонентов. Здесь необходимо решить следующие задачи: расширить применение существующих материалов и создать новые для формирования конденсаторов и резисторов с улучшенными характеристиками и с большей точностью; расширить применение имеющихся процессов и оборудования для формирования пассивных компонентов следующего поколения; повысить точность их формирования, чтобы можно было отказаться от лазерной подгонки [6].
Паяльные маски выполняют несколько функций.
Во-первых, защищают диэлектрическую поверхность от воздействия флюса и припоя при пайке оплавлением, волной или ручной пайке. Переход к бессвинцовым процессам приводит к повышению температур сборочных процессов и поэтому необходимо обеспечить высокую устойчивость маски к термодеструкциям. Увеличение числа циклов нагрева также обусловлено и растущей сложностью методов сборки, применением метода монтажа компонентов на обе стороны платы и индивидуальной установкой компонентов сложной формы (например, источников питания). Кроме того, для отверждения подзаливки компонентов типа flip-chip или BGA и для отверждения клеев тоже необходим нагрев. Поэтому основное требование к материалу маски: он должен оставаться стойким и стабильным после воздействия многократных циклов нагрева.
Во-вторых, паяльные маски улучшают электрические свойства поверхности печатных плат.
В-третьих, они защищают поверхность печатных плат от воздействия растворов, используемых для химического и иммерсионного нанесения финишных покрытий, например, ENIG или иммерсионного олова.
В-четвертых, паяльная маска должна быть плоской, поскольку компоненты с матричным расположением выводов устанавливаются поверх нее.
Новые материалы для паяльных масок должны не только выполнять эти основные функции, но и соответствовать разрабатываемым технологическим процессам с точки зрения технологичности, совместимости и возможности применения высокотемпературных процессов.
При формировании изображений возможно использование улучшенных технологии под названием "для применения только там, где необходимо". Например, струйная печать может применяться, когда паяльная маска наносится не на всю плату, а только там, где необходимо (оправдано технически). Такое селективное нанесение позволит сэкономить материал и, возможно, обеспечит изготовление плат с лучшими электрическими характеристиками. Процесс струйной печати в настоящее время фактически освоен, и эту технологию необходимо распространять на другие процессы формирования рисунков.
Материалы для заполнения отверстий. Сложность их изменилась от простой однокомпонентной эпоксидной паяльной маски до современных теплопроводных, металлизируемых и устойчивых к флюсу составов. И если в прошлом заполнение отверстий считалось лишь вопросом, о котором стоит задуматься, то сегодня этот процесс стал необходимой частью полного процесса изготовления плат. Задача в этой области – улучшать характеристики материалов.
Фотошаблоны. Температура и влажность окружающей среды вызывают проблемы с фотошаблонами на полимерной основе. Стеклянные шаблоны обладают меньшей нестабильностью размеров, но стоят гораздо дороже. Систематические дефекты, возникающие из-за пылиноу и загрязнений, ухудшают качество контактной печати. Избежать этого можно с помощью периодической автоматической инспекции фотошаблонов. Коллимированные источники света могут решить эту проблемы, обеспечивая возможность бесконтактной печати.
Применение прямого лазерного экспонирования фоторезиста позволит отказаться от операции изготовления фотошаблонов. К тому же процесс прямого экспонирования улучшит совмещение рисунков, так как происходит адаптирование изображения к уже имеющемуся рисунку на плате с учетом его смещения в результате естественной деформации.
Наконец, прямое нанесение материалов рисунков (или даже проводников) с помощью таких технологий, как струйная печать, устранит необходимость в фотошаблонах. Сегодня появилась также возможность прямого нанесения проводящего рисунка на плату при использовании процесса низкотемпературного (150°С) восстановления металла из наноструктурированных паст (красок).
Формирование рисунков на внутренних слоях. При изготовлении многослойных плат тонкой медной фольге отдается большее предпочтение, так как она позволяет формировать элементы малых размеров, уменьшить зазоры между ними и улучшить точность воспроизведения ширины проводников. В большей мере это относится к малогабаритным слаботочным изделиям электроники.
Прямое нанесение материалов резиста с помощью таких технологий, как струйная печать, могло бы изменить процесс формирования внутренних слоев в новых процессах литографии. Российская компания "Остек-Сервис-Технология" пошла дальше, предложив технологию и оборудование для анизотропного травления меди. Этот процесс обеспечивает почти вертикальные стенки вытравленного рисунка [7].
Надо сказать, что проблемы с малыми размерами элементов проводящего рисунка тесно связаны и с инженерно-техническим обеспечением производственных помещений, так как размеры пылинок становятся соизмеримыми с размерами элементов печатного рисунка плат. Технические улучшения в соответствующих областях (чистота производственных помещений, подготовка поверхностей, фильтрация проявителя и раствора для снятия фоторезиста и оптическая инспекция) повысят выход годных и надежность изделий с малыми элементами рисунка.
Доля жидкого резиста среди материалов для травления продолжает расти, полуаддитивный метод получения рисунка даст возможность изготавливать медные проводники с заданной формой. Ряд поставщиков работают с материалами для струйного нанесения резиста, которое повышает разрешающую способность рисунка проводников.
Формирование рисунка на внешних слоях. Основная проблема при металлизации медью заключается в обеспечении баланса между заполнением микропереходных отверстий на поверхности плат и поддержанием высокой пластичности меди в отверстиях. Желаемый результат может быть достигнут путем двухстадийной металлизации, но такая технология имеет невысокую производительность и, более того, имеющиеся производственные линии металлизации не обладают такими возможностями.
Дальнейшее внедрение технологий импульсной металлизации (см. рис.2) позволит изготавливать более качественные глухие и микропереходные отверстия благодаря тому, что уменьшается выделение водорода и образование пустот. Но и здесь много проблем [4].
Применение полностью аддитивной толстослойной меди осложняется тем, что основные ее недостатки – необходимость в химически стойком толстом фоторезисте и длительность процесса металлизации до нужных толщин – трудно преодолимы.
Медные проводники. Распространение бессвинцовой технологии пайки вызвало новые проблемы. Было замечено, что бессвинцовые составы с большим содержанием олова растворяют при пайке гораздо больше меди, чем эвтектический припой. Это растворение, которое иногда ошибочно называют эрозией, наиболее часто возникает в местах перехода металлизации отверстия в контактную площадку и преимущественно происходит при быстром течении припоя, например, при ремонте с применением родничковой волны, при пайке волной и нанесении покрытия горячим лужением с выравниванием воздушным ножом (HASL). Особая обработка гальванической меди делает нанесенные слои меди более устойчивыми к этому явлению, но конкретные рекомендации еще не сформулированы.
Альтернатива меди – некоторые наноуглеродные соединения – позиционируются как материалы с меньшим, чем у меди, электрическим сопротивлением. Эти соединения могут стать востребованными для увеличения скорости передачи сигналов.
И вообще, импульсная металлизация микропереходных и переходных отверстий малого диаметра требует очень серьезных исследований для выработки практических рекомендаций производству.
Гибкие печатные платы. Производство гибких плат – характерных представителей тонких материалов в целом – продолжает развиваться быстрее, чем производство жестких плат. Новое конвейерное оборудование позволяет обрабатывать слои толщиной 50 мкм и менее благодаря альтернативному процессу оксидирования, конвейерному удалению смол, металлизации отверстий, нанесению, проявлению, травлению и снятию резиста. Не исключено, что возможно изготовление непрерывных материалов слоев печатных плат. Непрерывные гибкие материалы существуют, но большинство операций при их изготовлении пока выполняются поэтапны, и поэтому материал несколько раз сворачивается в рулон и переносится на следующее рабочее место вместо того, чтобы обеспечить выполнение всех операций в одной последовательности.
Более широкое применение армированных пленок (полиимида, жидкокристаллического полимера и т.п.) позволит перейти на непрерывную обработку. Примером может служить изготовление антенн для радиочастотных меток (RFID) в виде непрерывной ленты. Все операции при такой технологии должны иметь минимально возможную стоимость, чтобы удовлетворять ценовым задачам для технологии массового производства.
Многослойные печатные платы. Проблемы в этой области связаны с тем, что для материалов многослойной технологии сборки с более высокими температурами стеклования требуются новые режимы повышения температуры и давления. Появление безгалогенных базовых материалов пока не потребовало существенного изменения режима прессования. Некоторые новые неармированные материалы, такие как жидкокристаллический полимер, являются на самом деле термопластами, и для того чтобы избежать излишнего течения пластика, необходимо выдерживать температуру очень точно. Чтобы обеспечить требуемые изменения температуры и давления в этих развивающихся процессах, возможен возврат к забытой уже технологии прессования в автоклавах (рис.3). Методы сборки и совмещения слоев с применением штырей, прокалывающих лист соединительного материала, требуют очень точного управления процессом.
Адгезия слоев меди обеспечивается процессом оксидирования. Но здесь возникают две проблемы: материал должен выдерживать повышенные температуры бессвинцовых процессов и одновременно обеспечивать более гладкую геометрию трасс проводников в высокочастотных изделиях. Необходима разработка новых химических составов для обеспечения адгезии слоев, отличных от оксидирования меди, например, органических усилителей адгезии.
Формирование отверстий (механических и немеханических). При механическом сверлении трудность заключается в экономичном изготовлении большого количества межслойных вертикальных межсоединений. Меньший размер отверстий необходим, чтобы увеличить их число на ограниченной площади платы и расширить возможности для конструкторов изделия. В некоторой степени эта проблема решается лазерным формированием микропереходных отверстий. Причем лазерное сверление может применяться на всех слоях. Лазерное оборудование с несколькими головками сверления может повысить производительность этого процесса [8].
Высокие производительность и точность сверления, которая зависит от самого сверла, и точность позиционирования сверления, которая определяется возможностью оборудования, – явные преимущества сверления механическим методом.
Разновидность процесса сверления "с управляемой глубиной" (рассверливание металлизированных отверстий с обратной стороны, при котором частично удаляется металлизация из отверстий плат) улучшает высокочастотные свойства платы.
Финишные покрытия. Финишное покрытие должно быть пригодно не только для пайки, но и для проволочной разварки выводов. Самое главное – покрытие должно быть устойчивым к нескольким циклам нагрева, поскольку на плату наносится и отверждается клей, а паста наносится с обеих сторон платы. Финишное покрытие должно также удовлетворять требованиям сборки с "более мягкой" отмывкой или вообще без отмывки. Агрессивные флюсы, которые могут сделать почти любую поверхность паяемой, ушли в прошлое из-за ограничений, накладываемых на химические составы для отмывки плат. Процессы нанесения финишных покрытий также должны быть совместимы с устойчивостью паяльных масок. В последнее время проблемой при работе электронных сборок в агрессивных атмосферах стала ползучая коррозия. Новые материалы для финишных покрытий могут стать одним из способов решения этой проблемы.
Большое разнообразие финишных покрытий [9] осложняет выбор в пользу какого-либо одного, двух, пусть трех, удовлетворяющих всем требованиям по стоимости, смачиваемости, долговременности и т.д. Лидирующими финишными покрытиями считаются органическое, ENIG, ImSn, ImAg и HALS.
Органическое покрытие обеспечивает защиту медной поверхности от окисления в процессе хранения и пайки. Но это покрытие имеет короткий жизненный цикл, что негативно сказывается на технологической надежности.
Покрытие ENIG (4 мкм Ni + 0,1 мкм Au) свободно от ионных загрязнений и способно к многократной пайке при высоких температурах. Функция тонкого слоя золота – защищать никель от окисления, а сам никель служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. К покрытию ENIG трудно подобрать флюс, и цена его примерно на 25% выше, чем у органического покрытия.
Иммерсионное олово (ImSn) – альтернатива HASL-процессам. Популярность ImSn растет за счет обеспечения хорошей смачиваемости и простоты процесса осаждения. ImSn с барьерным подслоем демонстрирует беспроблемную и лучшую паяемость, чем ENIG.
Иммерсионное серебро (ImAg). Толщина ImAg не превышает 200 нм, поэтому расходы на реализацию этого покрытия незначительны. Жизнеспособность ImAg несколько меньше, чем ENIG.
HASL-процесс горячего облуживания плат состоит из двух операций: погружения на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем и выравнивания припоя горячими воздушными ножами. Но такое выравнивание оставляет наплывы до 0,3 мм, что неприемлемо для миниатюрных компонентов поверхностного монтажа.
Полученные данные испытаний позволяют расставить покрытия по их способности к пайке в следующем порядке: горячее лужение (HASL-процесс); иммерсионное олово с барьерным подслоем из органического металла (OM-ImSn); иммерсионное золото с подслоем химического никеля (ENIG); простое иммерсионное олово (ImSn); иммерсионное серебрение (ImAg); органическое защитное покрытие (OSP).
Производственная инфраструктура – чистые помещения. В настоящее время для обеспечения приемлемого выхода годных крайне важно, чтобы операции литографии, сборки слоев и нанесения паяльной маски выполнялись в обеспыленной атмосфере с контролируемыми температурой и влажностью. Кроме того, было показано, что химические загрязнения воздуха повреждают оборудование для прямого лазерного экспонирования – одного из многообещающих методов полученияв проводящих рисунков высокой плотности [10].
Оптические межсоединения. Проводятся исследования в области изготовления оптических межсоединений групповым способом на одном слое. Возможность технологии монтажа этих слоев на плату была уже показана, но продолжаются работы над материалами и процессами создания зеркал, которые могут быть включены в эти слои внутри структуры. Они защитят оптические слои и обеспечат стабильность структуры при длительном сроке эксплуатации.
Итак, в заключение перечислим возможные перспективы для дальнейшего развития технологии печатных плат.
Фотолитография. Расширение применения прямого формирования рисунков. Оно исключает изготовление фотошаблонов и увеличивает возможность формирования элементов межсоединений малого размера.
Базовые материалы. Чтобы удовлетворить потребности производителей изделий электроники, зарубежные поставщики материалов активно создают новую и постоянно улучшают выпускаемую продукцию. В целом, движущими факторами развития базовых материалов являются потребность в более тонких структурах межсоединений, более высокие частоты и увеличивающаяся плотность компоновки элементов. Потребности развития высокочастотной электроники приводят к необходимости использования пластиков с меньшими диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла потерь, более высокими температурами стеклования и термодеструкции, сохраняющих свои свойства при температурах пайки и имеющих меньшее влагопоглощение. Аналогично и от производителей медной фольги требуется разработка более тонких и гладких материалов и технологий, позволяющих выполнять устойчивое прецизионное травление. Для дальнейшего развития технологии печатных плат необходимыматериалы армирования с более устойчивыми электрическими свойствами, низкой диэлектрической проницаемостью и более тонкими волокнами. Также потребуются новые высоконадежные финишные покрытия.
Проводники – формирование рисунка, металлизация, травление. Пока еще медь в перспективе удовлетворяет потребности в обеспечении электро- и теплопроводности. Существует тенденция, направленная на снижение расхода меди за счет применения аддитивной технологии. Альтернатива – регенерация меди, что создаст замкнутый цикл использования данного ценного металла.
Электрические свойства – импеданс, целостность сигнала. Для функционирования на повышенных частотах требуются более высокие характеристики материалов, а повышенные частоты – это данность, с которой придется считаться. Потребуется разработка смол с меньшими значениями диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь.
Паяемость. Распространение бессвинцовых технологий требует дополнительных испытаний существующих финишных покрытий. Монтаж без отмывки технологических загрязнений после пайки накладывает дополнительные требования к поверхности плат, не покрытых припоем. Внедрение новых финишных покрытий плат всегда вызывает проблемы (например, ползучая коррозия). Даже в проволочной разварке, бывшей в течение долгого времени прерогативой золота, сейчас примняются алюминий и медь. Поэтому потребуются новые финишные покрытия, которые позволят выполнять как пайку, так и проволочную разварку новых материалов.
Производственная инфраструктура. Критичные операции фотолитографии и сборки слоев многослойных структур требуется проводить в чистых производственных условиях.
Технологии встраивания компонентов. Встраивание компонентов внутрь печатных плат путем формирования или впаивания дискретных компонентов накладывает на производителя плат новые требования по тестированию.
Литература
George Dudnikov. North American PCB Military Technology Roadmap. – Sanmina SCI, 2011.
Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы. – М.: Техносфера, 2005.
Медведев А.М., Можаров В.А. Плотность межсоединений электронных компонентов. – Электроника: НТБ, 2011, №3.
Семенов П.В., Сержантов А.М., Мылов Г.В. Печатные платы. Где и как делать? – Технологии в электронной промышленности, 2007, №7.
Медведев А.М. Печатные платы. Базовые материалы. – Производство электроники, 2010, №7.
Медведев А.М. Печатные платы. Встраивание компонентов. – Технологии в электронной промышленности, 2011, №8.
Шкундина С.Е. Прецизионное травление печатных плат. – Производство электроники, 2011, №6.
Иванова А.С., Медведев А.М. Механическое и лазерное формирование отверстий. – Печатный монтаж, 2006, №1.
Медведев А.М., Шкундина С.Е. Иммерсионные финишные покрытия под пайку. – Производство электроники, 2010, №3.
Медведев А.М., Сержантов А.М., Семенов П.В. Инженерное обеспечение производства электроники. – Технологии в электронной промышленности, 2006, №6.
В результате общих тенденций площадь монтажных подложек уменьшается в год примерно на 7%, а физические размеры электронной аппаратуры – на 10–20%. Это сопровождается непрерывным увеличением плотности межсоединений за счет уменьшения элементов печатного монтажа – ширины проводников и зазоров, отверстий и контактных площадок, пространственного (послойного) распределения межслойных переходов (используются сквозные, глухие, слепые отверстия). Это, в свою очередь, влияет на производство печатных плат: повышается стоимость основных фондов, увеличиваются объемы прямых издержек и продолжительность цикла [2]. Технологии печатных плат постоянно развиваются – появляются новые приемы и операции, расширяются их возможности за счет использования прецизионного оборудования, более качественных материалов и инструментов. От состояния технологий производства печатных плат непосредственно зависят масса и габариты электронной аппаратуры, ее функциональность, производительность, надежность, устойчивость к внешним воздействующим факторам.
В отечественной и зарубежной практике постоянно совершенствуются известные методы межсоединений и ведется непрерывный поиск новых. Ежемесячно публикуются сотни патентов, описывающих новые процессы и операции. Нередко в технологии монтажа появлялись и методы, сопровождавшиеся громкой рекламой, но на практике они оказывались маловыгодными, ненадежными или имели ограниченное применение. Ежегодные международные конференции, симпозиумы способствуют отбору выверенных решений, появлению новых базовых технологий, для которых разрабатываются стандарты, оборудование и материалы. На их основе строятся новые производства с многомиллионными вложениями капитала.
Чтобы повысить плотность монтажа кремниевых кристаллов, необходимо изменить некоторые стандартные представления. В настоящее время промышленность находится на уровне, который характеризуется шагом выводов 0,8 мм, шириной проводников 100 мкм, диаметром переходных отверстий 100 мкм и размером контактных площадок 0,25 мм. В дальнейшем появится необходимость установки на платы компонентов в микрокорпусах с шагом выводов 0,25 мм и бескорпусных кристаллов с шагом выводов 0,1 мм. Это и есть главные тенденции в эволюции межсоединений (рис.1, табл.1) [3]. Исходя из этих данных, можно выделить основные проблемы развития технологий (рис.2) [4]. Рассмотрим эти проблемы и способы их решения более подробно.
Базовые материалы. Свой-ства базовых материалов определяют технологичность и технический уровень печатных плат, их устойчивость к внешним воздействиям. Производство базовых материалов – очень капиталоемкое и потому инертное. Успехи в развитии этого производства связаны с качеством полуфабрикатов, поставляемых совершенно разнородными промышленными предприятиями: химическими, металлургическими, металлообрабатывающими и электротехническими. Объединить и направить их на выполнение одной цели очень трудно, но от их успехов напрямую зависит улучшение свойств таких основных композиционных материалов, как фольгированные стеклопластики и пленки [5].
Самая большая проблема в области базовых материалов – малые объемы производства российской электроники (0,5% от мирового объема), что делает нерентабельным их отечественное производство. Многие отечественные поставщики фольгированных диэлектриков разорились, сегодня на российском рынке осталась единственная фирма – НТЦ "ЭЛИФОМ", выжившая за счет хорошего научно-технического потенциала.
Кроме непрерывного улучшения существующих материалов для удовлетворения потребностей будущего необходимо разработать и новые материалы. Например, для изделий с высокой плотностью межсоединений или корпусов кристаллов срочно требуются материалы, позволяющие выполнять лазерную резку или формировать проводники малой ширины. Также будут востребованы новые материалы, упрощающие встраивание компонентов в платы или улучшающие электрические и тепловые характеристики (табл.2). Проблема заключается в том, что именно сегодня надо спрогнозировать, когда и как эти новые материалы будут получены в производстве печатных плат.
Среди множества проблем, с которыми сегодня сталкиваются производители материалов для изготовления печатных плат, – это получение все более тонких и плотных структур в связи с постоянно растущим спросом на портативные изделия и разработка СВЧ-материалов, работающих в гигагерцовом диапазоне на значительных уровнях мощности. Надо сказать, что материалы с высокочастотными свойствами пока изучены мало, и потребуется большой объем работ, чтобы разработать и внедрить технологию их производства.
Таким образом, должны быть усовершенствованы и разработаны:
материалы и процессы для плат со встроенными компонентами (резисторы, индуктивности и конденсаторы);
пластики повышенной жесткости с улучшенными тепловыми характеристиками;
тонкие базовые материалы для микропереходных отверстий;
тонкая металлическая фольга без пор (без проколов);
материалы армирования, альтернативные стеклу, для очень тонких внутренних слоев многослойных плат;
материалы с низкой диэлектрической проницаемостью для высокочастотных и радиочастотных изделий, а также технологические методы обработки этих материалов;
безгалогенные базовые материалы для решения экологических проблем.
В будущем возможна жесткая конкуренция между передачей данных по каналам на основе меди и на основе волоконной оптики в диапазоне 5–10 ГГц. Однако необходимо продолжить работы по совершенствованию материалов и процессов в области медных печатных плат. Это может продлить срок использования отработанных технологий на основе меди в этом частотном диапазоне.
Материалы для формирования внутренних пассивных компонентов. Здесь необходимо решить следующие задачи: расширить применение существующих материалов и создать новые для формирования конденсаторов и резисторов с улучшенными характеристиками и с большей точностью; расширить применение имеющихся процессов и оборудования для формирования пассивных компонентов следующего поколения; повысить точность их формирования, чтобы можно было отказаться от лазерной подгонки [6].
Паяльные маски выполняют несколько функций.
Во-первых, защищают диэлектрическую поверхность от воздействия флюса и припоя при пайке оплавлением, волной или ручной пайке. Переход к бессвинцовым процессам приводит к повышению температур сборочных процессов и поэтому необходимо обеспечить высокую устойчивость маски к термодеструкциям. Увеличение числа циклов нагрева также обусловлено и растущей сложностью методов сборки, применением метода монтажа компонентов на обе стороны платы и индивидуальной установкой компонентов сложной формы (например, источников питания). Кроме того, для отверждения подзаливки компонентов типа flip-chip или BGA и для отверждения клеев тоже необходим нагрев. Поэтому основное требование к материалу маски: он должен оставаться стойким и стабильным после воздействия многократных циклов нагрева.
Во-вторых, паяльные маски улучшают электрические свойства поверхности печатных плат.
В-третьих, они защищают поверхность печатных плат от воздействия растворов, используемых для химического и иммерсионного нанесения финишных покрытий, например, ENIG или иммерсионного олова.
В-четвертых, паяльная маска должна быть плоской, поскольку компоненты с матричным расположением выводов устанавливаются поверх нее.
Новые материалы для паяльных масок должны не только выполнять эти основные функции, но и соответствовать разрабатываемым технологическим процессам с точки зрения технологичности, совместимости и возможности применения высокотемпературных процессов.
При формировании изображений возможно использование улучшенных технологии под названием "для применения только там, где необходимо". Например, струйная печать может применяться, когда паяльная маска наносится не на всю плату, а только там, где необходимо (оправдано технически). Такое селективное нанесение позволит сэкономить материал и, возможно, обеспечит изготовление плат с лучшими электрическими характеристиками. Процесс струйной печати в настоящее время фактически освоен, и эту технологию необходимо распространять на другие процессы формирования рисунков.
Материалы для заполнения отверстий. Сложность их изменилась от простой однокомпонентной эпоксидной паяльной маски до современных теплопроводных, металлизируемых и устойчивых к флюсу составов. И если в прошлом заполнение отверстий считалось лишь вопросом, о котором стоит задуматься, то сегодня этот процесс стал необходимой частью полного процесса изготовления плат. Задача в этой области – улучшать характеристики материалов.
Фотошаблоны. Температура и влажность окружающей среды вызывают проблемы с фотошаблонами на полимерной основе. Стеклянные шаблоны обладают меньшей нестабильностью размеров, но стоят гораздо дороже. Систематические дефекты, возникающие из-за пылиноу и загрязнений, ухудшают качество контактной печати. Избежать этого можно с помощью периодической автоматической инспекции фотошаблонов. Коллимированные источники света могут решить эту проблемы, обеспечивая возможность бесконтактной печати.
Применение прямого лазерного экспонирования фоторезиста позволит отказаться от операции изготовления фотошаблонов. К тому же процесс прямого экспонирования улучшит совмещение рисунков, так как происходит адаптирование изображения к уже имеющемуся рисунку на плате с учетом его смещения в результате естественной деформации.
Наконец, прямое нанесение материалов рисунков (или даже проводников) с помощью таких технологий, как струйная печать, устранит необходимость в фотошаблонах. Сегодня появилась также возможность прямого нанесения проводящего рисунка на плату при использовании процесса низкотемпературного (150°С) восстановления металла из наноструктурированных паст (красок).
Формирование рисунков на внутренних слоях. При изготовлении многослойных плат тонкой медной фольге отдается большее предпочтение, так как она позволяет формировать элементы малых размеров, уменьшить зазоры между ними и улучшить точность воспроизведения ширины проводников. В большей мере это относится к малогабаритным слаботочным изделиям электроники.
Прямое нанесение материалов резиста с помощью таких технологий, как струйная печать, могло бы изменить процесс формирования внутренних слоев в новых процессах литографии. Российская компания "Остек-Сервис-Технология" пошла дальше, предложив технологию и оборудование для анизотропного травления меди. Этот процесс обеспечивает почти вертикальные стенки вытравленного рисунка [7].
Надо сказать, что проблемы с малыми размерами элементов проводящего рисунка тесно связаны и с инженерно-техническим обеспечением производственных помещений, так как размеры пылинок становятся соизмеримыми с размерами элементов печатного рисунка плат. Технические улучшения в соответствующих областях (чистота производственных помещений, подготовка поверхностей, фильтрация проявителя и раствора для снятия фоторезиста и оптическая инспекция) повысят выход годных и надежность изделий с малыми элементами рисунка.
Доля жидкого резиста среди материалов для травления продолжает расти, полуаддитивный метод получения рисунка даст возможность изготавливать медные проводники с заданной формой. Ряд поставщиков работают с материалами для струйного нанесения резиста, которое повышает разрешающую способность рисунка проводников.
Формирование рисунка на внешних слоях. Основная проблема при металлизации медью заключается в обеспечении баланса между заполнением микропереходных отверстий на поверхности плат и поддержанием высокой пластичности меди в отверстиях. Желаемый результат может быть достигнут путем двухстадийной металлизации, но такая технология имеет невысокую производительность и, более того, имеющиеся производственные линии металлизации не обладают такими возможностями.
Дальнейшее внедрение технологий импульсной металлизации (см. рис.2) позволит изготавливать более качественные глухие и микропереходные отверстия благодаря тому, что уменьшается выделение водорода и образование пустот. Но и здесь много проблем [4].
Применение полностью аддитивной толстослойной меди осложняется тем, что основные ее недостатки – необходимость в химически стойком толстом фоторезисте и длительность процесса металлизации до нужных толщин – трудно преодолимы.
Медные проводники. Распространение бессвинцовой технологии пайки вызвало новые проблемы. Было замечено, что бессвинцовые составы с большим содержанием олова растворяют при пайке гораздо больше меди, чем эвтектический припой. Это растворение, которое иногда ошибочно называют эрозией, наиболее часто возникает в местах перехода металлизации отверстия в контактную площадку и преимущественно происходит при быстром течении припоя, например, при ремонте с применением родничковой волны, при пайке волной и нанесении покрытия горячим лужением с выравниванием воздушным ножом (HASL). Особая обработка гальванической меди делает нанесенные слои меди более устойчивыми к этому явлению, но конкретные рекомендации еще не сформулированы.
Альтернатива меди – некоторые наноуглеродные соединения – позиционируются как материалы с меньшим, чем у меди, электрическим сопротивлением. Эти соединения могут стать востребованными для увеличения скорости передачи сигналов.
И вообще, импульсная металлизация микропереходных и переходных отверстий малого диаметра требует очень серьезных исследований для выработки практических рекомендаций производству.
Гибкие печатные платы. Производство гибких плат – характерных представителей тонких материалов в целом – продолжает развиваться быстрее, чем производство жестких плат. Новое конвейерное оборудование позволяет обрабатывать слои толщиной 50 мкм и менее благодаря альтернативному процессу оксидирования, конвейерному удалению смол, металлизации отверстий, нанесению, проявлению, травлению и снятию резиста. Не исключено, что возможно изготовление непрерывных материалов слоев печатных плат. Непрерывные гибкие материалы существуют, но большинство операций при их изготовлении пока выполняются поэтапны, и поэтому материал несколько раз сворачивается в рулон и переносится на следующее рабочее место вместо того, чтобы обеспечить выполнение всех операций в одной последовательности.
Более широкое применение армированных пленок (полиимида, жидкокристаллического полимера и т.п.) позволит перейти на непрерывную обработку. Примером может служить изготовление антенн для радиочастотных меток (RFID) в виде непрерывной ленты. Все операции при такой технологии должны иметь минимально возможную стоимость, чтобы удовлетворять ценовым задачам для технологии массового производства.
Многослойные печатные платы. Проблемы в этой области связаны с тем, что для материалов многослойной технологии сборки с более высокими температурами стеклования требуются новые режимы повышения температуры и давления. Появление безгалогенных базовых материалов пока не потребовало существенного изменения режима прессования. Некоторые новые неармированные материалы, такие как жидкокристаллический полимер, являются на самом деле термопластами, и для того чтобы избежать излишнего течения пластика, необходимо выдерживать температуру очень точно. Чтобы обеспечить требуемые изменения температуры и давления в этих развивающихся процессах, возможен возврат к забытой уже технологии прессования в автоклавах (рис.3). Методы сборки и совмещения слоев с применением штырей, прокалывающих лист соединительного материала, требуют очень точного управления процессом.
Адгезия слоев меди обеспечивается процессом оксидирования. Но здесь возникают две проблемы: материал должен выдерживать повышенные температуры бессвинцовых процессов и одновременно обеспечивать более гладкую геометрию трасс проводников в высокочастотных изделиях. Необходима разработка новых химических составов для обеспечения адгезии слоев, отличных от оксидирования меди, например, органических усилителей адгезии.
Формирование отверстий (механических и немеханических). При механическом сверлении трудность заключается в экономичном изготовлении большого количества межслойных вертикальных межсоединений. Меньший размер отверстий необходим, чтобы увеличить их число на ограниченной площади платы и расширить возможности для конструкторов изделия. В некоторой степени эта проблема решается лазерным формированием микропереходных отверстий. Причем лазерное сверление может применяться на всех слоях. Лазерное оборудование с несколькими головками сверления может повысить производительность этого процесса [8].
Высокие производительность и точность сверления, которая зависит от самого сверла, и точность позиционирования сверления, которая определяется возможностью оборудования, – явные преимущества сверления механическим методом.
Разновидность процесса сверления "с управляемой глубиной" (рассверливание металлизированных отверстий с обратной стороны, при котором частично удаляется металлизация из отверстий плат) улучшает высокочастотные свойства платы.
Финишные покрытия. Финишное покрытие должно быть пригодно не только для пайки, но и для проволочной разварки выводов. Самое главное – покрытие должно быть устойчивым к нескольким циклам нагрева, поскольку на плату наносится и отверждается клей, а паста наносится с обеих сторон платы. Финишное покрытие должно также удовлетворять требованиям сборки с "более мягкой" отмывкой или вообще без отмывки. Агрессивные флюсы, которые могут сделать почти любую поверхность паяемой, ушли в прошлое из-за ограничений, накладываемых на химические составы для отмывки плат. Процессы нанесения финишных покрытий также должны быть совместимы с устойчивостью паяльных масок. В последнее время проблемой при работе электронных сборок в агрессивных атмосферах стала ползучая коррозия. Новые материалы для финишных покрытий могут стать одним из способов решения этой проблемы.
Большое разнообразие финишных покрытий [9] осложняет выбор в пользу какого-либо одного, двух, пусть трех, удовлетворяющих всем требованиям по стоимости, смачиваемости, долговременности и т.д. Лидирующими финишными покрытиями считаются органическое, ENIG, ImSn, ImAg и HALS.
Органическое покрытие обеспечивает защиту медной поверхности от окисления в процессе хранения и пайки. Но это покрытие имеет короткий жизненный цикл, что негативно сказывается на технологической надежности.
Покрытие ENIG (4 мкм Ni + 0,1 мкм Au) свободно от ионных загрязнений и способно к многократной пайке при высоких температурах. Функция тонкого слоя золота – защищать никель от окисления, а сам никель служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. К покрытию ENIG трудно подобрать флюс, и цена его примерно на 25% выше, чем у органического покрытия.
Иммерсионное олово (ImSn) – альтернатива HASL-процессам. Популярность ImSn растет за счет обеспечения хорошей смачиваемости и простоты процесса осаждения. ImSn с барьерным подслоем демонстрирует беспроблемную и лучшую паяемость, чем ENIG.
Иммерсионное серебро (ImAg). Толщина ImAg не превышает 200 нм, поэтому расходы на реализацию этого покрытия незначительны. Жизнеспособность ImAg несколько меньше, чем ENIG.
HASL-процесс горячего облуживания плат состоит из двух операций: погружения на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем и выравнивания припоя горячими воздушными ножами. Но такое выравнивание оставляет наплывы до 0,3 мм, что неприемлемо для миниатюрных компонентов поверхностного монтажа.
Полученные данные испытаний позволяют расставить покрытия по их способности к пайке в следующем порядке: горячее лужение (HASL-процесс); иммерсионное олово с барьерным подслоем из органического металла (OM-ImSn); иммерсионное золото с подслоем химического никеля (ENIG); простое иммерсионное олово (ImSn); иммерсионное серебрение (ImAg); органическое защитное покрытие (OSP).
Производственная инфраструктура – чистые помещения. В настоящее время для обеспечения приемлемого выхода годных крайне важно, чтобы операции литографии, сборки слоев и нанесения паяльной маски выполнялись в обеспыленной атмосфере с контролируемыми температурой и влажностью. Кроме того, было показано, что химические загрязнения воздуха повреждают оборудование для прямого лазерного экспонирования – одного из многообещающих методов полученияв проводящих рисунков высокой плотности [10].
Оптические межсоединения. Проводятся исследования в области изготовления оптических межсоединений групповым способом на одном слое. Возможность технологии монтажа этих слоев на плату была уже показана, но продолжаются работы над материалами и процессами создания зеркал, которые могут быть включены в эти слои внутри структуры. Они защитят оптические слои и обеспечат стабильность структуры при длительном сроке эксплуатации.
Итак, в заключение перечислим возможные перспективы для дальнейшего развития технологии печатных плат.
Фотолитография. Расширение применения прямого формирования рисунков. Оно исключает изготовление фотошаблонов и увеличивает возможность формирования элементов межсоединений малого размера.
Базовые материалы. Чтобы удовлетворить потребности производителей изделий электроники, зарубежные поставщики материалов активно создают новую и постоянно улучшают выпускаемую продукцию. В целом, движущими факторами развития базовых материалов являются потребность в более тонких структурах межсоединений, более высокие частоты и увеличивающаяся плотность компоновки элементов. Потребности развития высокочастотной электроники приводят к необходимости использования пластиков с меньшими диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла потерь, более высокими температурами стеклования и термодеструкции, сохраняющих свои свойства при температурах пайки и имеющих меньшее влагопоглощение. Аналогично и от производителей медной фольги требуется разработка более тонких и гладких материалов и технологий, позволяющих выполнять устойчивое прецизионное травление. Для дальнейшего развития технологии печатных плат необходимыматериалы армирования с более устойчивыми электрическими свойствами, низкой диэлектрической проницаемостью и более тонкими волокнами. Также потребуются новые высоконадежные финишные покрытия.
Проводники – формирование рисунка, металлизация, травление. Пока еще медь в перспективе удовлетворяет потребности в обеспечении электро- и теплопроводности. Существует тенденция, направленная на снижение расхода меди за счет применения аддитивной технологии. Альтернатива – регенерация меди, что создаст замкнутый цикл использования данного ценного металла.
Электрические свойства – импеданс, целостность сигнала. Для функционирования на повышенных частотах требуются более высокие характеристики материалов, а повышенные частоты – это данность, с которой придется считаться. Потребуется разработка смол с меньшими значениями диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь.
Паяемость. Распространение бессвинцовых технологий требует дополнительных испытаний существующих финишных покрытий. Монтаж без отмывки технологических загрязнений после пайки накладывает дополнительные требования к поверхности плат, не покрытых припоем. Внедрение новых финишных покрытий плат всегда вызывает проблемы (например, ползучая коррозия). Даже в проволочной разварке, бывшей в течение долгого времени прерогативой золота, сейчас примняются алюминий и медь. Поэтому потребуются новые финишные покрытия, которые позволят выполнять как пайку, так и проволочную разварку новых материалов.
Производственная инфраструктура. Критичные операции фотолитографии и сборки слоев многослойных структур требуется проводить в чистых производственных условиях.
Технологии встраивания компонентов. Встраивание компонентов внутрь печатных плат путем формирования или впаивания дискретных компонентов накладывает на производителя плат новые требования по тестированию.
Литература
George Dudnikov. North American PCB Military Technology Roadmap. – Sanmina SCI, 2011.
Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы. – М.: Техносфера, 2005.
Медведев А.М., Можаров В.А. Плотность межсоединений электронных компонентов. – Электроника: НТБ, 2011, №3.
Семенов П.В., Сержантов А.М., Мылов Г.В. Печатные платы. Где и как делать? – Технологии в электронной промышленности, 2007, №7.
Медведев А.М. Печатные платы. Базовые материалы. – Производство электроники, 2010, №7.
Медведев А.М. Печатные платы. Встраивание компонентов. – Технологии в электронной промышленности, 2011, №8.
Шкундина С.Е. Прецизионное травление печатных плат. – Производство электроники, 2011, №6.
Иванова А.С., Медведев А.М. Механическое и лазерное формирование отверстий. – Печатный монтаж, 2006, №1.
Медведев А.М., Шкундина С.Е. Иммерсионные финишные покрытия под пайку. – Производство электроники, 2010, №3.
Медведев А.М., Сержантов А.М., Семенов П.В. Инженерное обеспечение производства электроники. – Технологии в электронной промышленности, 2006, №6.
Отзывы читателей
