Производство многослойных печатных плат

Когда говорят о производстве многослойных печатных плат, многие сразу представляют себе просто склейку нескольких слоев. На деле же это, пожалуй, один из самых требовательных к технологической дисциплине процессов в электронике. Тут любое отклонение — будь то в препреге, в совмещении слоев или в режиме прессования — аукнется не сразу, а на этапе электрических испытаний или, что хуже, уже у заказчика. Сам через это проходил.

Где начинаются сложности: подготовка материалов и внутренние слои

Все начинается с казалось бы простого — с внутренних слоев. Многие недооценивают важность подготовки медной фольги и работы с фоторезистом. Вот, например, классическая проблема: после травления на внутренних слоях появляются так называемые ?зубцы? по краям дорожек. Казалось бы, мелочь. Но когда ты прессуешь многослойку, эти неровности могут привести к плохому прилеганию и образованию микрополостей. Потом при нагреве во время пайки компонентов — дельamination, расслоение. Приходилось подбирать режимы травления и даже менять поставщика самой фольги, чтобы добиться более гладкого края.

И препрег... Это отдельная песня. Его текучесть, содержание смолы, степень отверждения B-стадии — все это нужно подбирать под конкретную плату. Использовал материал с неподходящей текучестью для платы с высокой плотностью монтажа — смола не заполнила все пространства между дорожками, остались воздушные включения. Результат — снижение надежности межслойной изоляции. Опытным путем пришли к тому, что для плат с толщиной меди 35 мкм и выше нужен препрег с более высоким содержанием смолы.

Контроль на этом этапе — это не только автоматика. Обязательно нужно выборочно смотреть образцы под микроскопом, проверять толщину меди после травления. Автоматические оптические контроллеры (АОИ) ловят обрывы и замыкания, но не оценят качество кромки. Это уже человеческий глаз и опыт.

Сборка ?бутерброда? и прессование: искусство без гарантий

Сборка пакета — это как раз тот момент, где теория расходится с практикой. По чертежу все ровно, а на столе для сборки появляются первые вопросы. Порядок слоев, ориентация препрега, расположение медных плоскостей для балансировки — все нужно сверять дотошно. Однажды была история, когда технолог перепутал местами два сигнальных слоя из-за схожей нумерации файлов. Плата после прессования прошла, но электрика не работала. Пришлось разбирать весь тираж.

Прессование — это высокая температура и давление. Здесь критически важен температурно-временной профиль. Слишком быстро поднять температуру — смола в препреге будет слишком быстро течь, вытесняясь из краев, возможен недостаток смолы в центре платы. Слишком медленно — может начаться преждевременное отверждение, опять плохое заполнение. Давление тоже нужно дозировать. Мы долго подбирали оптимальный профиль для плат толщиной более 3 мм, экспериментируя с разными типами многоступенчатого прессования.

После прессования обязательна проверка на расслоение методом термоудара. Плату выдерживают при 288°C в припое в течение 10-20 секунд. Если нет вздутий или трещин — хорошо. Но это разрушающий метод, только для выборочного контроля. Для 100% партии так не проверишь, поэтому так важен стабильный технологический процесс.

Механическая обработка и металлизация отверстий

После прессования получается монолитная заготовка. Далее — сверление межслойных переходных отверстий. Тут бич — заусенцы и смоляное загрязнение на стенках отверстия. Если заусенец не убрать, он может испортить фотошаблон на следующем этапе. А смола на стенке — это гарантированный брак по металлизации. Пробовали разные методы очистки: плазменная очистка, химическая десмолизация. Для плат с большим количеством глухих отверстий (blind vias) плазма показала себя лучше, но это дороже и требует точной настройки.

Металлизация отверстий — это, по сути, нанесение проводящего слоя на непроводящую поверхность. Стандартный процесс — химическое осаждение меди. Но тонкий химический слой (около 1 мкм) должен обладать отличной адгезией. Бывали случаи отслоения этого слоя при последующем гальваническом наращивании меди. Проблема часто была не в самом процессе, а в недостаточно чистой поверхности после сверления или в неидеальных параметрах активации.

Стоит упомянуть и о контроле качества отверстий. Используется автоматизированный контроль сверления (AOI для отверстий), но также обязательно делают срезы (микрошлифы) для проверки качества металлизации по всему сечению отверстия. Видел под микроскопом идеальные отверстия и такие, где медь тонкая с одной стороны. Причина — неравномерная аэрация в гальванической ванне. Пришлось переставлять катоды и дорабатывать систему перемешивания.

Формирование наружных слоев и финишная отделка

Наружные слои формируются по схожей с внутренними технологии, но есть нюансы. Поскольку поверхность после прессования и металлизации неидеально ровная, требуется более тщательная подготовка перед нанесением фоторезиста. Особенно это важно для тонких дорожек. Применяем механическую щеточную обработку в сочетании с микростравливанием для увеличения площади сцепления.

Финишное покрытие — это уже требования заказчика. HASL (сплав олово-свинец), иммерсионное золото, иммерсионное олово, OSP. У каждого свои тонкости. Например, для иммерсионного золота (ENIG) критически важно состояние никелевого подслоя. Если процесс нанесения никеля нарушен, может проявиться ?черная подушка? — хрупкий интерметаллид, который приводит к разрушению паяного соединения. Сталкивался с этим, когда пытались ускорить процесс, сократив время промывки между стадиями.

Маркировка и контурная обработка (фрезеровка, скрайбирование) — финальные шаги. Кажется, что тут ошибиться сложно. Но если фреза затупилась или скорость подачи выбрана неверно, можно получить сколы ламината по краям или отслоение медных площадок. Для плат со сквозными пазами это особенно актуально.

Контроль, испытания и взгляд на отрасль

Финальный контроль — это не только электрические тесты на замыкания и обрывы. Это и рентген для проверки совмещения слоев, и проверка импеданса (для высокочастотных плат), и термоциклирование для ответственных применений. Иногда заказчик просит дополнительные испытания на вибропрочность. Все это упирается в стоимость и сроки.

Сейчас вижу, как рынок меняется. Растет спрос на платы с высокой плотностью монтажа (HDI), на платы для высокочастотных применений (RF/microwave). Это требует еще более чистых производственных помещений, более точного оборудования и, что важно, глубокого понимания физики процессов. Компании, которые просто склеивают слои, останутся в нише простейших устройств.

Вот, к примеру, взглянем на ООО Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии (сайт https://www.apexpcb-cn.ru). Основанная в 2018 году, компания изначально сделала ставку на инновации и интеграцию технологий электронных схем. Их быстрый рост и формирование экосистемы из нескольких предприятий по цепочке создания стоимости — это как раз ответ на вызовы современного производства многослойных печатных плат. Чтобы быть конкурентоспособным, уже недостаточно иметь один завод. Нужно контролировать или иметь тесные связи по цепочке: от материалов и оборудования до проектирования и сборки электронных модулей. Их путь показывает, куда движется отрасль: в сторону комплексных решений и глубокой вертикальной интеграции. Это позволяет лучше контролировать качество на каждом этапе и предлагать заказчику не просто плату, а готовое технологическое решение. Для инженера-технолога работать в такой связанной системе, конечно, проще — больше возможностей влиять на процесс ?сверху вниз?.

В итоге, производство многослойных печатных плат — это не просто ремесло, а постоянный инженерный поиск. Каждая новая плата, особенно сложная, — это маленький проект, где нужно учитывать сотни параметров. И самое ценное знание — это не из учебников, а из разборов собственных ошибок и нестандартных ситуаций на производственном цеху. Технология не стоит на месте, и останавливаться в learning curve нельзя ни на день.