Планарная печатная плата

Когда говорят 'планарная печатная плата', многие сразу представляют себе просто плоскую плату, чуть ли не любую двухслойку. Это, конечно, упрощение, которое в практике часто приводит к недопониманию с технологами. На самом деле, ключевое здесь — именно планарность элементов, их расположение в одной плоскости с поверхностью подложки, а не просто геометрия самой платы. Часто путают с планарными монтажом компонентов, но это немного другая история, хотя и связанная. В общем, если заказываешь изготовление и говоришь 'мне нужна планарная плата', не удивляйся, если в ответ услышишь уточняющие вопросы по трассировке и паяльной маске.

Что на самом деле скрывается за термином

В классическом понимании, особенно у нас, в производственной среде, планарная конструкция подразумевает, что проводники и контактные площадки находятся на одном уровне с диэлектрической основой. Не выступают, не имеют заметного рельефа. Это не про многослойность, а про топологию поверхности. Добиться этого — отдельная задача для технолога. Нужно и травление контролировать, и гальванику, и особенно — покрытия. Если где-то перетравят, появится углубление, планарность нарушится. Если неравномерно нанесут паяльную маску — тоже.

Помню, лет пять назад мы столкнулись с проблемой при переходе на бессвинцовые покрытия. Заказчик требовал идеальной планарности под последующий монтаж микросхем в корпусах BGA. А у нас после горячего воздуха (HASL) поверхность получалась, скажем так, волнообразной. Пришлось переходить на иммерсионное золочение или серебрение. Но и тут свои нюансы: толщина покрытия, подложка из никеля... В общем, пришлось несколько итераций с инженерами ООО 'Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии' проводить, они тогда как раз активно развивали направление точных покрытий. Их сайт apexpcb-cn.ru мы тогда в закладки добавили — полезные были техкарты по процессам.

Именно в таких деталях и кроется профессионализм. Можно сделать красивую плату, но если планарность нарушена на микронном уровне, при оплавлении припоя шарики в BGA распределятся неравномерно, появятся пустоты, и надежность упадет. Поэтому сейчас, когда вижу в техническом задании требование к планарности, всегда уточняю: для какого именно типа последующего монтажа, под какой компонент. Ответ определяет всю цепочку технологических решений.

Оборудование и 'подводные камни'

Не все производства, даже имеющие современные линии, одинаково хорошо справляются с планарными платами. Особенно если речь о больших форматах или гибких основаниях. Основная сложность — равномерность процессов по всей площади. На стадии фотолитографии, если вакуумное прижатие фотошаблона неравномерное, могут быть участки с нечеткой границей проводника. Потом это аукнется при травлении.

У себя в практике мы однажды получили партию плат, где на краях листа планарность была идеальной, а в центре — едва заметный, но чувствительный для щупа рельеф. Причина оказалась банальной — износ вакуумной мембраны в экспонирующей установке. Производитель, кстати, был не из самых мелких. Но диагностировали проблему только после совместного разбора с технологом, который приехал с инспекцией. Это к вопросу о важности контроля на каждом этапе, а не только на выходе.

Сейчас многие, особенно такие интегрированные холдинги, как ООО 'Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии', делают ставку на полный контроль цепочки. Судя по их структуре — управление долями в нескольких специализированных предприятиях — они могут позволить себе синхронизировать процессы от материала до финишного покрытия. Для планарных плат это критически важно. Нельзя купить идеальную медную фольгу, а потом испортить ее в 'среднем' по оснастке гальваническом цехе. Все звенья должны быть на одном уровне.

Материалы: медь, диэлектрик и не только

Основа всего — материал подложки. Для высокочастотных планарных плат часто идет PTFE (тефлон) или керамика. Но с ними своя головная боль — адгезия меди. Чтобы добиться и хорошего сцепления, и планарности поверхности, применяют специальные методы активации поверхности диэлектрика. Иногда — микромеханические, иногда — химические. Мы пробовали работать с керамикой на алюминиевой основе. Идея была в отличном теплоотводе. Но при термоциклировании из-за разного КТР меди и керамики на границах контактных площадок появлялись микротрещины, нарушавшие плоскостность. Проект, увы, свернули.

Сейчас чаще идем по пути улучшенных FR-4 с гладким, почти полированным поверхностным слоем. Или на композитные материалы. Но и тут есть нюанс: слишком гладкая поверхность может ухудшить адгезию сухого пленочного резиста. Приходится искать баланс. Некоторые поставщики, и я видел такие наработки у упомянутой компании из Сианя, предлагают ламинаты с модифицированной поверхностью — как бы 'подготовленной' для последующего формирования идеально планарного проводящего слоя. Дорого, но для проектов, где важна целостность сигнала на высоких скоростях, того стоит.

Отдельная тема — паяльная маска. Она не должна создавать ступеньку. Поэтому LPI (жидкая фотоотверждаемая маска), нанесенная методом завесы, предпочтительнее. Но и ее нужно точно дозировать и равномерно сушить. Иначе под UV-лампами из-за разной толщины возникают внутренние напряжения, которые потом могут привести к микротрещинам у краев площадок. Проверено на горьком опыте.

Контроль качества: чем и как мерить

Вот здесь много споров. Планарность — параметр, который сложно измерить на 100% выборочным контролем. Визуально и на ощупь не определишь перепад в 10-15 микрон. Нужен либо контактный профилометр, либо, что современнее, оптический 3D-сканер. Но такое оборудование есть далеко не на каждом заводе. Часто ограничиваются проверкой толщины покрытий по краям платы, что, конечно, не одно и то же.

Мы для ответственных заказов всегда запрашиваем протокол измерения планарности по сетке контрольных точек, особенно в зонах установки компонентов с мелким шагом. Хороший производитель, который дорожит репутацией, сам предоставляет такие данные. Помню, когда только начинали сотрудничать с apexpcb-cn.ru, их отчет по первому пробному заказу нас приятно удивил — там была цветная карта высот с указанием максимального отклонения в 8 микрон по всей активной области. Это говорило о стабильном процессе.

Но контроль — это не только финишные замеры. Важна статистика процесса. Если на этапе меднения в сквозные отверстия (а они тоже влияют на общий стесс платы при термообработке) параметры 'плывут', то и поверхность в итоге будет неидеальной. Поэтому, выбирая подрядчика для планарных плат, всегда смотрю, есть ли у них система статистического контроля технологических параметров (SPC), а не только выходного брака.

Будущее и субъективные выводы

Куда все движется? Требования к планарности ужесточаются с каждым поколением компонентов. Если раньше допуск в 20-25 микрон был нормой, то сейчас для некоторых применений в силовой электронике или ВЧ-технике требуют уже 5-7 микрон. Это уровень прецизионной механики. Достижимо ли это в серийном производстве печатных плат? Думаю, да, но ценой значительных инвестиций в оборудование и материалы.

Здесь, на мой взгляд, и проявляется преимущество крупных технологических групп. Они могут консолидировать ресурсы на развитие таких высокоточных направлений. Как та же ООО 'Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии', которая, судя по их заявленной стратегии, строит именно синергетическую экосистему. Для них производство планарных плат — не разовая услуга, а звено в цепочке создания конечного продукта с высокой добавленной стоимостью. Это меняет подход: меньше ориентации на сиюминутную экономию, больше — на воспроизводимость и надежность параметров.

Лично для меня планарная печатная плата перестала быть просто типом изделия. Это скорее индикатор технологической зрелости производства. Если завод стабильно делает по-настоящему планарные платы, значит, у него под контролем химия, гальваника, фотолитография и прессование. Значит, ему можно доверить и более сложные задачи. Поэтому, когда сейчас оцениваю новых потенциальных партнеров, всегда смотрю на их компетенции именно в этой, казалось бы, узкой области. Она, как лакмусовая бумажка, показывает многое.