realizarea cablajelor imprimate

Tehnologie electronică. Capitolul 1

1.3. Tehnologia cablajelor imprimate 1.3.1. Istoric. Generalităţi De al începuturile electronicii, dezavantajele cablajelor cu fire au determinat încercări de realizare a conexiunilor într-o singură etapă, prin procedee mai bune. Incă din 1906, T.A. Edison propune realizarea conductoarelor sub formă de benzi metalice, obţinute prin depuneri de pulberi pe suport izolant urmate de ardere. Prin 1930, la firma Hesho Werken (Hermsdorf, Germania), se realizau conexiuni prin depuneri de săruri de argint pe plăcuţe ceramice; prin ardere se obţieau conductoare peliculare din argint, foarte aderente la suport. Din această peri-oadă datează denumirea de conductor imprimat. Toate procedeele inventate până prin 1940 s-au dovedit inaplicabile în practică. Tehnica cablajelor imprimate se dezvoltă după ce în 1943, Eisler, în Anglia, brevetea-ză primul procedeu de fabricare a cablajelor imprimate aplicabil în practică, prin corodarea chimică a unei folii de cupru lipită pe suport izolant. Invenţiile lui Eisler stau la baza majorităţii tehnologiilor actuale de fabricaţie a cablajelor imprimate. Destul de curios, ideile lui Eisler au cunoscul o mare răspândire abia după 1952 – 1953, dar în prezent probabil că nu există echipamente electronice care să nu folosească cablaje imprimate. Prin cablaj imprimat se înţelege un ansamble de conductoare de conexiune plasate în unul, două sau mai multe planuri paralele, fixate pe un suport rigid sau flexibil şi formând un ansamblu. Conductoarele, realizate sub formă de benzi sau suprafeţe metalice, se numesc conductoare imprimate. Prin circuit imprimat, se înţelege de obicei, ansamblul suport izolant, conductoarele imprimate şi componente fixate definitiv pe suport. Adesea, noţiunile de cablaj imprimat şi circuit imprimat, se confundă. Tehnologia cablajelor imprimate are numeroase şi importante avantaje, printre care:

• asigură un grad de compactizare ridicat; • se reduce volomul si dificultatea operaţiilor de montare şi asamblare, care pot fi com-

plet automatizate; • asigură o mare reproductibilitate în dispunerea pieselor şi conductoarelor de conexiune,

ceea ce simplifică enorm relgajele, acordările şi permite controlul cuplajelor parazite; • identificarea pieselor şi traseelor este uşoară şi se simplifică depanarea; • consumul de cupru se reduce drastic, conductoarele putând fi dimensionate în funcţie

de cerinţele electrice (intensitate curent, inductanţă şi rezistenţă etc.); • fiabilitatea şi mentenabilitatea produselor sunt ridicate; • costurile sunt reduse.

Singurul dezavantaj – dacă se poate vorbi despre aşa ceva, este că, pentru a pune în valoare avantajele, execuţia trebuie făcută pe maşini, în sistem industrial; realizarea artizanală (manuală) nu este corespunzătoare, cu excepţia unor cablaje simple, de exemplu pentru teste. In prezent, progresele tehnologice au determinat:

• ieftenirea cablajelor, a căror utilizare şi în montaje experimentale a devenit o practică curentă;

• diversificarea tipurilor de cablaje imprimate (flexibile, multistrat), a tehnologiilor de asamblare (asamblarea cu piese montate pe suprafaţă);

• extinderea tehnologiilor specifice cablajelor imprimate la realizarea unor componente imprimate (rezistoare, bobine, condensatoare), a unor componente precum şi în alte domenii (bobinaje pentru motoare electrice miniatură, suspensii şi arcuri pentru meca-nisme fine etc.)

In fig. 1.9 sunt prezentate numai câteva dintre utilizările actuale ale cablajelor imprimate.

8


rotor miez magnetic bobinaj

a b c

d e

Fig. 1.9. Utilizări ale cablajelor imprimate: a – cablaj imprimat pentru montaje electronice; b – con-densator imprimat; c – bobine imprimate; d – elenment de comutator rotativ; e – micromotor cu rortor

pe cablaj imprimat

Diversitatea cablajelor este foarte mare şi clasificările se pot face din mai multe puncte de vedere.

• După însuşirile mecanice ale suportului izolant, există cablaje pe suport rigid şi pe suport flexibil.

• După numărul de plane în care se află conductoarele, există cablaje monostrat, dublu strat şi multistrat.

• După modul de realizare a contactelor dintre conductoarele aflate în plane diferite, există cablaje cu găuri nemetalizate şi cu găuri metalizate.

• După tehnologia de fabricaţie, există: Cablaje realizate prin tehnologii subtractive, în care, plecând de la un suport izolant

placat cu folie de cupru, conductoarele se obţin prin îndepărtarea metalului în regiu-nile care trebuie să fie electroizolante. Aceste tehnologii sunt cele mai utilizate

Cableje ralizate prin tehnologii aditive, în care conductoarele se obţin prin depunere de metal pe suprtul izolant.

Cablaje realizate prin tehnologii de sinteză, în care conductoarele şi izolantul inter-mediar se obţin prin depuneri succesive de metal şi dielectric.

In fig. 1.10. sunt prezentate câteva dintre cele mai folosite tipiri de cableje imprimate.

a b

d

e

Fig. 1.10. Tmultis

suport izolant conductoare

ipuri de cablaje imprimate: a, b – mtrat cu găuri metalizate; e – calbaj re

9

fsupo

c imprimate

ono şi duble strat cu găuri nemetalizatalizat prin tehnologie de sinteză; f – ca

rt izolant flexibil

e; c, d – dublu şi blaj flexibil


1.3.2. Materiale pentru cablaje imprimate

În general, un cablaj imprimat include: suportul izolant, conductoarele imprimate, pelicule de acoperire şi protecţie, eventual adezivi. 1.3.2.1. Materiale pentru suporturi izolante

Suporturile izolante trebuie să satisfacă un număr mare de cerinţe generale, cum sunt: • proprietăţi electrice bune şi stabile: rezistivitate de volum şi suprafaţă mari, pierderi (tgδ) mica, permitivitate (εr) mică, rigiditate dielectrică mare, ...;

• proprietăţi mecanice bune şi stabile: rezistenţă la solicitări mecanice, posibilitate de pre-lucrare prin tăiere, ştanţare, aşchiere, etc.; trebuie avut în vedere că solicitările mecanice sunt preluate în totalitate de suport, conductoarele imprimate neavând rezistenţă mecanică;

• stabilitate dimensională şi a tuturor însuşirilor, în timp şi la acţiunea factorilor de mediu (temperatură, umiditate, şocuri, vibraţii, substanţe chimice, ...)

• neinflamabilitate (unele norme impun şi autostingerea), rezistenţă la temperatura de lipire, absorbţie şi adsorbţie a apei minime;

• preţ de cost redus. Pentru suporturile cablajelor flexibile se mai impun:

• flexibilitate bună (rază de curbură minimă sub 1-3 mm); • coeficient de alungire la întindere cât mai mic (conductoarele de cupru nu suportă decât alungiri foarte mici);

• rezistenţă la rupere mare. În prezent, pentru suporturi se folosesc: materiale stratificate, folii de mase plastice

termoplaste şi termorigide şi materiale ceramice. Materialele stratificate sunt cele mai folosite pentru suporturi rigide, în tehnologii

substractive şi aditive. Acestea se fabrică dintr-un material de bază în starturi (hârtie, ţesătură din fibre de sticlă) impregnate cu materiale de umplutură (lianţi, răşini) şi tratate termice sub presiune. În cazul semifabricatelor placate, înainte de tartare termică, se execută acoperirea cu folii de cupru pe una din ambele feţe. Stratificatele se livrează sub formă de plăci, cu dimensiuni maxime de 2000x2000 mm. Grosimile plăcilor sunt de 0.5 ... 3.2 mm; pentru cablaje mono şi dublu start grosimile uzuale sunt de 1.2 – 1.8 mm. Abaterile admise în grosime sunt mici ± 0.05 ... ± 0.1 mm.

Principalele materiale stratificate şi caracteristici sunt indicate în tabelele 1.3 şi 1.4

Tabel 1.3 Principalele materiale stratificate Material

de bază Material

de umplutură Caracteristici Observaţii

1. Hârtie (folii) Răşini fenolice Material standard pentru solicitări obişnuite în aparatura de larg consum, ieftin

Pertinax. Foarte utilizat

2. Fibră de sticlă (ţesătură) Răşini epoxidice Material standard pentru aparatura profesională.

Însuşiri net superioare pertinaxului, mai scump Sticlotextolit Foarte utilizat

3. Fibră de sticlă (ţesătură) Răşini melaminice Excelente proprietăţi mecanice, rezistent la

frecare, folosit pentru elemente de comutatoare Rar utilizat

4. Fibră de sticlă (ţesătură) Răşini siliconice Excelentă comportare la temperaturi joase şi

înalte şi la frecvenţe mari, scump Rar folosit

5. Fibră de sticlă (ţesătură) Răşini poliesterice Bune însuşiri electrice, calităţi mecanice medii,

preţ mediu Destul de rar folosit

6. Fibră de sticlă (ţesătură)

Politetrafluoretilenă (PTFE – Teflon)

Însuşiri electrice şi termice excelente, calităţi mecanice mai puţin bune. Aderenţă redusă a conductoarelor la suport

Foarte scump Rar folosit

10


Cablaje cu găuri metalizate se fabrică numai din materiale cu ţesătură din fibră de sticlă, uzual sticlotextolit. În compoziţia răşinii, de regulă, se introduc şi cantităţi mici de materiale de adaos, pentru îmbunătăţirea unor proprietăţi (de exemplu pentru neinflamabilitate şi autostingere).

Tabel 1.4 Unele proprietăţi ale materialelor stratificate pentru suporturi izolante Material de bază:

Răşină:

Proprietate

Hârtie (folii)

fenolică (Pertinax)

Fibră de sticlă

epoxidică (Sticlotextolit)

Fibră de sticlă

PTFE (Teflon)

Fibră de sticlă

siliconică

Fibră de sticlă

poliesterică Unitate

Rezistivitatea de volum (ρ)

7103 ⋅ 610 810 610 510 Ω/m

Rigiditatea dielectrică (Estr)

61010 ⋅ 61015 ⋅ 61010 ⋅ 61010 ⋅ 61015 ⋅ V/m

Permitivitate relativă (εr)

4.5 5 2.5 5 5

Factor de pierderi (tgδ la 1 MHz) 0.05 0.02 0.0004 0.01 0.075

Rezistenţa la alungire 450 1350 450 770 1800 kN/m

Rezistenţa la îndoire 680 1800 400 770 2040 kN/cm2

Rezistenţa la forfecare 360 540 340 540 900 kN/cm2

Absorbţia de apă 0.4 0.1 0.02 0.3 0.8 % Densitatea 3103.1 ⋅ 3108.1 ⋅ 3102.2 ⋅ 31075.1 ⋅ 3109.1 ⋅ kg/cm3 Prelucrabilitatea pe maşini unelte Bună Bună Slabă Slabă

Conductivitatea termică 0.19 0.3 0.063 0.3 30 W/s·K

Căldura specifică 1.670 1.570 0.840 1.050 1.250 kJ/kg·K Coeficient de dilatare (la 25 ) C0 1 0.75 2 1/103K

Efectele acizilor slabi Fără efecte Fără efecte Fără efecte Fără efecte Fără efecte

Efectele acizilor tari Slabe Slabe Atacat Uşor atacat Uşor atacat

Efectele alcaliilor slabi Slabe Slabe Fără efecte Slabe Slabe

Efectele acizilor tari Atacat Atacat Atacat Atacat Atacat

Efectele solvenţilor organici

Fără efecte Slabe Fără efecte Atacat Slabe

Temperatura maximă la prelucrare

100 120 200 250 120 oC

Proprietăţile suporturilor depind destul de mult de tehnologia de fabricaţie (temperatură, presiune, etc.) şi de materiale de adaos. Valorile indicate mai sus sunt medii.

STAS 7153-83 specifică grosimile nominale (gm) şi toleranţele (t) grosimilor, pentru plăci de cablaj imprimat din pertinax şi sticlotextolit, placate cu folie de cupru cu grosime nominală de 35µm. Grosimile sunt: gm(mm) ≈ 0.20; 0.25; 0.40; 0.50; 0.65; 0.80; 1.00; 1.20; 1.60; 2.00; 2.40; 4.20; 6.40.Toleranţele, specifice pentru gm ≥ 0,50mm, sunt între ±0,06 – ±0,56mm (mai mari la grosimi mai mari).

Suporturile ceramice se fabrică din pastă de oxizi de aluminiu şi beriliu, coaptă la temperaturi peste 1000ºC şi au foarte bune proprietăţi electrice şi termice, rezistenţă mecanică mare la întindere şi presare, dar nu rezistă la îndoire şi la şocuri (sunt casante). Suporturile

11


ceramice se produc sub formă de plăcuţe de maximum 100x100mm, cu grosimi de 0,8 –3mm şi se folosesc cu precădere pentru cablaje realizate prin tehnologii de sinteză.

Suporturile pentru cablaje flexibile se realizează din materiale stratificate, din mase plastice termoplaste (rar) sau termorigide, sub formă de folii cu grosimi de 0,5 – 1,5mm. Foli-ile stratificate se fac din ţesătură din fibre de sticlă foarte rară, impregnată cu răşină epoxidică şi au flexibilitatea destul de bună (raza minimă de curbură circa 2mm). Dintre masele plastice termorigide, des folosite sunt poliimidele (Kapton), cu bune însuşiri electrice (εr = 3,3 –3,7, tgδ = 0,008), termice (rezistă la peste 400ºC) şi mecanice (comparabile cu ale foliilor strati-ficate cu răşină epoxidică), asigurând o bună aderenţă a conductoarelor. Mai rar se folosesc foliile din Teflon (politetrafluoretilenă – PTFE). Dintre masele plastice termoplaste, se utilizează poliamidele şi poliesteri (PETP – Mylar, ..) 1.3.2.1. Materiale pentru conductoare imprimate

Pentru conductoare imprimate, de departe cel mai utilizat material este cuprul cu puritate electrotehnică (peste 99,5 %). Mult mai rar se foloseşte argintul (în tehnologii de sinteză). Alte metale sunt practic neutilizate (exceptând cazul tehnologiei purilor subţiri).

Foaia de cupru pentru acoperirea semifabricatelor placate are grosimi de 5 ... 100µm, dar grosimea cea mai utilizată este în jur de 35µm; grosimile mai mici nu asigură rezistenţa suficientă (conductoarele se desprind uşor de suport, se rup la lipire, ...) şi se folosesc când urmează îngroşarea conductoarelor prin depunere de cupru, iar grosimile mai mari nu sunt economice şi se utilizează pentru cablaje care lucrează în condiţii grele.

Tabel 1.5 Proprietăţile unor metale pentru conductoare imprimate şi metalizări

Material Rezistivitate

la 20ºC (x10–6 Ω·m)

Coeficientul de temp. al rezistivităţii (x10–3K–1)

Densitatea (x103kg/m3)

Conductivi-tatea termică

(W/m·K)

Temperatura de topire

(ºC) Observaţii

Cupru (Cu) 0.0174 3.9 - 4.3 8.89 394 1084 Oxidabil Argint (Ag) 0.0165 3.6 - 4.1 10.5 423 960 Greu oxidabil

Aur (Au) 0.023 3.4 – 4.0 19.3 293 1063 Practic inoxidabil Staniu (Sn) 0.125 4.6 7.28 66 232 Pentru acoperiri Plumb (Pb) 0.208 3.8 11.34 37 327 Utilizat numai aliat cu Sn

Aliaj de lipit 0.180 4.0 – 4.3 8.8 44 185 60-65% Sn, rest Pb Pentru acoperiri

Deoarece cuprul se oxidează foarte repede, îngreuind lipirea, frecvent se realizează

acoperiri de protecţie cu metale sau aliaje greu oxidabile (argint, aur) sau care formează oxizi uşor dizolvabili în flux chiar la lipire (staniu sau aliaj de lipit staniu şi plumb).

Aderenţa conductoarelor la suport se asigură prin: • proprietăţile adezive ale răşinii (cazul răşinilor epoxidice, melaminice şi poliesterice); • folosirea unor adezivi (de exemplu, pentru pertinax se foloseşte cauciuc nitrilic iar în tehnologiile aditive pe suport cu răşini epoxidice se utilizează clorid de paladiu care are rol de catalizator la depunerea chimică a cuprului).

1.3.3. Tehnologii de fabricare a cablajelor imprimate 1.3.3.1. Generalităţi. Etape tehnologice comune

a. În toate tehnologiile, fabricarea cablajelor începe cu prelucrările mecanice genera-

le: tăierea plăcilor la formele şi dimensiunile necesare, executarea decupărilor, etc. În unele tehnologii se execută şi găurirea urmată de curăţarea găurilor. În toate tehnologiile, etapa

12


următoare prelucrării mecanice, constă în curăţarea suportului (placat sau nu) , orice impuri-tăţi putând compromite aderenţa substanţelor de acoperire şi în consecinţă calitatea produsu-lui. Curăţarea se face, în funcţie de suport (placat sau nu) şi de impurificarea suprafeţei, prin abraziune (sablare), atac chimic (acizi), spălare cu solvenţi organici şi întotdeauna cu multă apă - cel puţin ultimele spălări este bine să fie făcute cu apă deionizată sau măcar dedurificată (substanţele din apă „obişnuită” impurifică suprafeţele). Uscarea se face, de regulă prin sufla-re cu aer cald. Plăcile trebuie utilizate imediat după curăţare (în câteva ore), cuprul oxidându-se foarte repede.

b. O altă etapă, prezentă în majoritatea tehnologiilor, este imprimarea imaginii (desenului) cablajului imprimat, operaţie care constă în transpunerea imaginii cablajului, la scara 1:1, pe suport (placat sau nu), rezistentă la acizi. Imprimarea se poate face: • în imagine pozitivă, când sunt acoperite traseele viitoarelor conductoare imprimate, sau • în imagine negativă, când sunt acoperite traseele viitoarelor regiuni izolate.

c. Urmează o serie de prelucrări mecanice şi/sau chimice care depind de tehnologia utilizată

d. În tehnologiile care folosesc procedee chimice, după ultimele tratamente chimice se procedează la decontaminare, adică la îndepărtarea produselor reacţiilor chimice care s-au depus pe suport, mai ales în regiunile izolante. Decontaminarea constă în spălări succesive, cu solvenţi şi/sau multă apă (deionizată în final). e. În toate tehnologiile moderne, aproape de final se face depunerea unei măşti selecti-ve de lipire. Aceasta se realizează prin acoperirea întregii suprafeţe a cablajului, cu excepţia locurilor unde se vor executa lipiri, cu o peliculă de lac, termorezistent, electroizolant. Lacul este translucid (colorat în verde, albastru, ...) şi asigură protejarea conductoarelor în timpul lipirii (nu apar scurtcircuite între conductoare) şi la acţiunea factorilor de mediu.

f. Adesea, în continuare, se fac inscripţionări cu vopsea pentru identificarea compo-nentelor, punctelor de măsură, ... g. În final, întotdeauna, se face controlul final de calitate, de obicei prin inscripţie vizuală, rareori cu aparatură specială, pentru determinarea întreruperilor, scurtcircuitelor, ... 1.3.3.2. Tehnologii substractive de fabricare a cablajelor imprimate Tehnologiile substractive, cele mai răspândite în prezent, se bazează pe folosirea semi-fabricatelor placate cu foiţe de cupru, pe una sau ambele feţe şi îndepărtarea cuprului din re-giunile care vor fi izolate. Îndepărtarea cuprului se face prin corodare mecanică sau chimică. Corodarea mecanică se face prin frezare, pe maşini comandate de calculatoare, pe acre se execută şi găurile; se obţin cablaje cu găuri nemetalizate – metalizarea găurilor se poate face ulterior, prin metode chimice şi electrochimice. Procedeul necesită utilaje relativ ieftine, este curat iar cablajele sunt de bună calitate. Productivitatea fiind mică, corodarea mecanică se foloseşte pentru unicate şi serii mici. Corodarea chimică este mult mai folosită, având productivitate mare, existand în mul-te variante, cu diferite costuri şi calităţi ale cablajelor, în funcţie de necesităţi şi tehnologie. În continuare se vor prezenta câteva dintre cele mai utilizate variante ale tehnologiilor substarctive. 1. Fabricarea cablajelor imprimate cu găuri nemetalizate, cu conductoare

nemetalizate, prin tehnologie substractivă Acesta este cel mai simplu şi ieftin procedeu, folosit de obicei pentru cablaje mono strat pentru aparatură de larg consum, fără pretenţii. Succesiunea operaţiilor apare în fig. 1.11.

13


14

Procesul începe cu prelucrările mecanice, de obicei fără executarea găuri-lor, urmat de curăţarea plăcilor.

prelucrare mecanică, curăţare

imprimare desen în pozitiv

folie cupru suport izolanr

depunerea măştii selective de lipire, control vizual

găurire lac termore-zistent

conductoare imprimate

cerneală (lac) de protecţie

îndepărtare cerneală (lac)

corodare, spălare

Urmează imprimarea imaginii cablajului în ima-ginea pozitivă.

După uscarea cernelii care acoperă viitoarele con-ductoare, se execută coroda-rea chimică – îndepărtarea cuprului din regiunile izolate.

După decontaminare (spălare) se îndepărtează cer-neala protectoare cu solvenţi organici şi se trece la exe-cutarea găurilor.

După controlul vizual, se execută operaţiile finale: depunerea măştii selective de lipire, execuţia inscripţionărilor şi controlul final de calitate.

Fig. 1.11.Fabricarea cablajelor imprimate fără metalizare prin tehnologie substractivă cu corodare chimică

Găurile se execută după corodare, pentru a se evita corodarea cuprului în interior şi mai ales blocarea găurilor cu cerneală protectoare, foarte greu de îndepărtat. Frecvent pentru îmbunătăţirea calităţii cablajelor (uşurarea lipirii, rezistenţă sporită a conductoarelor). Înainte de depunerea măştii selective, se face precositorirea cablajului, prin depunerea unui start de aliaj, de lipit (staniu + plumb) în băi sau instalaţii de lipire cu undă.

Linie de tăiere după metalizare Conductor pentru contact la sursa de galvanizare

Metalizarea (aurirea, argintarea) contactelor pentru conector se face electrochimic, în băi; con-tactele sunt reunite pentru electroliză (fig. 1.12), apoi suportul se taie întrerupând contactul. Fig. 1.12. Conector cu contacte imprimate,

pregătit pentru metalizare electrochimică 2. Fabricarea cablajelor imprimate cu găuri nemetalizate, cu conductoare

metalizate, prin tehnologie substractivă O îmbunătăţire considerabilă a calităţii cablajelor imprimate se obţine prin metalizarea conductoarelor în timpul fabricării cablajelor, prin electroliză. Prin acoperirea cuprului cu metale greu oxidabile şi care uşurează lipirea se obţine o rezistenţă mecanică sporită, imunitate la acţiunea mediului, lipituri de mai bună calitate. Se folosesc: staniu, argint, rareori aur sau alte metale, care rezistă la acţiunea agentului de corodare folosit. In trecut, rar în prezent, se proceda la metalizarea conductoarelor prin acoperire cu aliaj de lipit SnPb în băi sau instalaţii cu val, după terminarea procesării, înainte de depunerea măştii selective de lipire. Procedeul se numeşte precositorire şi este aplicabil dacă conductoarele sunt destul de late iar distanţele dintre conductoare sunt destul de mari (peste ≈0,5mm), altfel apar scurtcircuitări. Mai frecvent se realizează precositorirea după depunerea măştii selective de lipire, acoperind cu aliaj numai punctele de lipire. În cazul metalizării electrochimice, găurirea se face la început, în cadrul prelucrărilor mecanice.


15

După curăţare, se face imprimarea imaginii în imagine negativă, apoi se procedează la metalizarea conductoarelor prin galvani-zare.

prelucrare mecanică, găurire,curăţare

îndepărtare cernelă (lac) corodare chimică

metalizare electrochimică

imprimare desen în negativ

prelucrare mecanică, găurire,curăţare

folie de cupru

suport izolant

cerneală (lac) de protecţie

metalizare lac termore-zistent

După îndepărtarea cernelii protectoare se exe-cută corodarea cu agent care nu atacă metalul de protecţie

După spălare (decon-taminare), se face controlul vizual şi acoperirea cu masca selectivă de lipire.

Succesiunea ope-raţiilor apare în fig. 1.13. Procedeul este puţin mai scump decât cel fără metalizarea conductoarelor, realizabil cu aceleaşi utilaje, dar este puţin folosit în prezent deoarece se preferă varianta cu metalizarea găurilor, net avantajoasă.

Fig. 1.13. Fabricarea cablajelor cu conductoare metalizate prin tehnologie substractivă cu corodare chimică

Dezavantajul major al cablajelor cu găuri nemetalizate constă în dificultatea realizării contactelor între conductoare de pe feţe opu-se, adică a trecerilor (în lb. engleză “vias”). Trecerile se realizează folosind terminalele componentelor sau fire (pini) anume pentru aceasta, cum se arată în fig. 1.14. Procedeul are numeroase dezavan-taje: necesită manoperă multă, sunt posibile erori greu depistabile şi remediabile (dacă rămâne o trecere nefăcută sub un circuit integrat, întreaga placă este rebutată). o mare parte din suprafaţă este ocupată de treceri, fiabilitatea este redusă.

Fig. 1.14. Realizarea trecerilor prin terminal de componentă şi prin

fir de trecere

lipitură

3. Fabricarea cablajelor imprimate cu găuri metalizate prin tehnologie

substractivă Pentru realizarea cablajelor circuitelor cu mare densitate de componente, în care se folosesc circuite integrate complexe, cu multe terminale, cablajele dublu strat fără metalizarea găurilor se pot folosi cu mare dificultate. Cablajele fiind complicate, nu se pot face toate conexiunile pe o singură faţă iar numărul trecerilor care trebuie realizate cu fire este foarte mare (spaţiu ocupat mare, manoperă multă, erori frecvente). Soluţia problemei constă în utilizarea cablajelor cu găuri metalizate, iar pentru circuitele foarte complicate a cablajelor multistrat, care sunt tot cu găuri metalizate. Fabricaţia cablajelor cu găuri metalizate (fig. 1.15) începe cu prelucrările mecanice, dintre care cea mai importantă operaţie este găurirea. Aceasta se face numai prin aşchiere, folosind burghie speciale, antrenate cu viteză foarte mare (peste 20000 rot/min) pe maşini de precizie, asigurând o mare netezime a pereţilor găurilor. Găurile sunt curăţate cu grijă, chiar în timpul execuţiei prin suflare cu aer sub presiune.

In continuare, se procedează la catalizarea întregii suprafeţe, inclusiv a interiorului găurilor. Catalizarea constă în acoperirea cu o substanţă care favorizează depunerea chimică a cuprului şi asigură o bună aderenţă a acestuia la suport (obişnuit clorid de paladiu).

Apoi se face o cuprare chimică, prin care se depune un strat foarte subţire de cupru (1 – 5µm)cu rol de asigurare a conductibilităţii întregii suprafeţe. Cuprarea chimică se face în băi de reducere a sărurilor de cupru, este lentă şi scumpă şi de aceea stratul este subţire.


16

Operaţia următoare este imprimarea desenului, în imagine negativă – se acoperă zonele care vor fi izolante.

depunere mască selectivă de lipire

corodare, spălare, decontaminare

îndepărtare cerneală (lac) de protecţie

cuprare electrochimicămetalizare


cuprare chimică

catalizarea suprafeţei

pregătire, găurire, curăţare

folie cupru suport izolant catalizator cupru depus chimic lac (cerneală) de protecţie metalizare cupru depus galvanic lac termore-zistent metalizare cupru galvaniccupru chimic cupru din folia iniţială

Procesul continuă cu o cuprare galvanică (operaţie rapi-dă, ieftină), prin care se creşte un strat de cupru de 10 – 100µm, după necesităţi.

Apoi se procedează la metalizare, prin care se depune galvanic un strat de metal neata-cabil de agenţii de corodare (obişnuit staniu, mai rar argint, aur, ...).

După îndepărtarea cer-nelii protectoare, se procedează la corodarea foliei de cupru, urmată de spălare (decontaminare).

După inspecţia vizuală se execută depunerea măştii selec-tive de lipire.

[În unele variante, ieftine dar nere-comandabile, nu se face cuprare galvanică - se execută numai me-talizarea (stanare); produsul este de slabă calitate - metalizările găurilor nu sunt rezistente, „ies” după 2 - 3 lipiri/dezlipiri.]

Fig. 1.15. Fabricarea cablajelor cu găuri metalizate prin tehnologie substractivă

Cablajele cu găuri metalizate sunt net superioare calitativ faţă de cele cu găuri nemetali-zate, dar şi mult mai scumpe (cam de 2 ori) - necesită utilaje speciale pentru găurire, procesul durează mult şi prescripţiile tehnologice (temperaturi, durate, compoziţii ale băilor de tratare chimică, ...) trebuie respectate cu stricteţe. 4. Fabricarea cablajelor multistrat prin tehnologia substractivă Pentru fabricarea cablajelor cu 3 sau 4 straturi, tehnologia subtractivă este în prezent mult folosită. Succesiunea operaţiilor apare în fig. 1.16. Procesul începe cu fabricarea cablajelor imprimate nemetalizate fără executarea găurilor, pe două sau mai multe plăci din semifabricat placat (dublu strat + dublu strat sau dublu strat + mono strat); se foloseşte tehnologia descrisă la punctul 1.

Apoi se suprapun plăcile, cu izolant intermediar (material de bază + răşină) şi se presează la cald, obţinând un ansamblu rigid. Pe ansamblu se execută găurirea, apoi se face o corodare a izolantului din găuri, pe mică adâncime, astfel încât cuprul să iasă puţin (câţiva µm) în relief, asigurând un mai bun contact cu metalizarea găurii. Urmează metalizarea găurilor (şi a conductoarelor exterioare), după procedeul des-cris la punctul 3. În producţie, probleme dificile apar la realizarea contactelor între conductoare din dife-rite straturi, datorită abaterilor poziţiilor plăcilor şi conductoarelor faţă de cele ideale, lăţimile conductoarelor şi distanţele dintre ele fiind foarte mici (adesea de 0,2 - 0,3mm). Pentru bune rezultate, toleranţele în poziţionare sunt mici, de ordinul 10 – 20µm. Poziţionarea precisă a


conductoarelor se obţine prin imprimarea desenelor cu procedeul fotografic şi tratare chimică corespunzătore. Poziţionarea precisă a plăcilor la suprapunere se face utilizând găuri de ghidare în plăci şi ştifturi (tije) de ghidare. Executarea precisă a găurilor (poziţie, diametru ...) se obţine prin prelucrarea mecanică pe maşini speciale, conduse de calculatoare în a căror memorie este introdus planul de găurire.

catalizare cuprare chimică

imprimare desen în negativ cuprare galvanică

metalizare corodare, spălare

depunere mască de lipire

găurire corodare interior găuri

suprapunere plăci cu izolant intermediar

presare la cald

execuţie plăci cu conductoare nemetalizate

de la exterior: • lac termorezistent • metalizare • cupru chimic şi

galvanic • cupru iniţial (din

folie)

conductoare imprimate suport izolant 1

izolant intermediar

suport izolant 2

Fig. 1.16. Fabricarea cablajelor imprimate multistrat prin tehnologie substractivă În prezent, la peste 20 de ani de la primele încercări, procesul tehnologic este bine pus la punct şi există multe firme care livrează linii tehnologice complete. 1.3.3.3. Tehnologii aditive de fabricare a cablajelor imprimate Încercările de a realiza într-un acelaşi lanţ de operaţii tehnologice, atât conductoarele imprimate cât şi metalizarea găurilor, au dus la dezvoltarea tehnologiilor aditive de fabricare a cablajelor imprimate, în care materialul de la care încep operaţiile este, suportul izolant. În prezent, tehnologiile aditive se folosesc numai în varianta combinată, de cuprare chimică şi electrochimică care se va descrie mai jos; succesiunea operaţiilor apare în fig. 1.17. Se foloseşte un suport izolant care se prelucrează mecanic şi se găureşte, după care se curăţă. Apoi se catalizează întreaga suprafaţă (§1.3.3.2) şi se face o cuprare chimică, realizând un strat subţire (1 – 5µm) pentru a face conductoare întreaga suprafaţă. După impri-marea desenului în imagine negativă, se trece la cuprare galvanică, crescând un strat de cupru gros, în funcţie de necesităţi. Urmează metalizarea conductoarelor şi apoi înlăturarea cernelii protectoare. După o scurtă corodare, pentru îndepărtarea stratului de cupru depus chimic, se face decontaminarea (spălarea). După control vizual se depune masca selectivă de lipire. Se observă o mare asemănare cu tehnologia de fabricare a cablajelor cu găuri metalizate prin tehnologie substractivă - de altfel, şi substanţele şi operaţiile chimice sunt practic identice.

17


18

Avantajele tehnologi-ei aditive constau în consu-mul mai redus de cupru şi costul mai redus al semifabri-catului (nu este placat).

Dezavantajul major al acestei tehnologii constă în aderenţa scăzută a conduc-toarelor la suport, problemă încă nerezolvată. Prin tehnologie aditi-vă se pot fabrica şi cablaje multistrat (3-4 straturi), după un procedeu asemănător celui substractiv.

Mai întâi se fabrică 2 plăci cu conductoare şi găuri pentru contact între conduc-toarele de pe feţele aceluiaşi suport, prin tehnologia aditi-vă descrisă mai sus1.

Apoi plăcile se supra-pun cu izolant intermediar şi se presează la cald. În conti-nuare se execută găurile pentru contacte între conduc-toare de pe suporturi diferite, după tehnologia descrisă în §1.3.3.2.4; rezultatul apare ca în fig. 1.18.

pregătire, găurire,

curăţare

catalizarea suprafeţei

cuprare chimică


cuprare electrochimicămetalizare

îndepărtare cerneală (lac) de protecţie

corodare, spălare, decontaminare

depunere mască selectivă de lipire

suport izolant catalizator cupru depus chimic lac (cerneală) de protecţie metalizare cupru depus galvanic de la exterior:

• lac termo-rezistent

• metalizare • cupru

galvanic • cupru chimic

Fig. 1.17. Fabricarea cablajelor cu găuri metalizate prin tehnologie aditivă

lac termorezistent metalizare cupru chimic şi galvanic la metalizarea găurii prin ansamblucupru chimic şi galvanic depus la fabricarea plăcilor izolant interior suport izolant

Fig. 1.18. Fabricarea cablajelor multistrat prin procedeul aditiv – rezultatul procesării

1.3.3.4. Fabricarea cablajelor imprimate prin tehnologii de sinteză În tehnologia de sinteză conductoarele şi izolantul dintre ele se realizează prin depuneri succesive de material, de regulă pe suporturi ceramice. Tehnologiile de sinteză se folosesc în două variante: tehnologia păturilor groase şi tehnologia păturilor subţiri.

1 Uneori nu se mai face metalizare, pierderea în grosime la corodarea cuprului depus chimic fiind neglijabilă


19

În tehnologia păturilor groase, conductoarele dintr-un strat se obţin prin vopsire cu pastă din săruri metalice2 folosind o mască serigrafică sau un şablon cu degajările corespun-zătoare traseelor conductoare. După reducere prin ardere, se obţin traseele metalice. Izolantul se depune sub formă de pastă ceramică (oxizi de aluminiu), umplând spaţiile dintre conduc-toare prin vopsire şi ştergere cu racleta. După ardere pentru întărirea ceramicii, se trece la formarea următorului strat. Rezultatul este ca în fig. 1.19.

Straturile obţinute astfel sunt groase (1 – 3 ... 5 – 10µm), rezistente şi fiabile.

Dificultăţi apar când trebuie rea-lizate multe straturi, deoarece tempera-tura de ardere a ceramicii dintr-un strat trebuie să fie cu cel puţin 20ºC mai mică decât a ceramicii din stratul prece-dent; este greu să se realizeze sortimen-te de ceramică cu temperaturi de ardere diferite într-un interval larg. În prezent se produc curent astfel de cablaje cu 5 ... 12 straturi; experimental s-au realizat şi 28 de straturi.

conductoare izolant suport ceramic

0,8

– 10

mm

1

– 10

µm

Fig. 1.19. Cablaj imprimat realizat prin tehnologia de sinteză a păturilor groase

În tehnologia păturilor subţiri, metalul pentru conductoare3 şi izolantul ceramic se depun prin evaporarea în vid a substanţei, încălzite la topire. In vid înaintat (sub 10–6torr) moleculele se deplasează rectiliniu, în fascicule moleculare sau ionice. Pentru formarea con-ductoarelor, în calea fasciculului molecular se intercalează şabloane cu degajări corespunză-toare traseelor conductoare, iar pentru creşterea izolaţiei se folosesc şabloane complementare celor pentru conductoare. Rezultatul este ca cel din fig. 1.19, dar grosimea straturilor este mică – 0,1 – 1µm.

În tehnologia păturilor subţiri nu există practic limite în complexitatea cablajelor şi în numărul de straturi. Dezavantajele procedeului constau în rezistenţa scăzută a conductoarelor şi frecvenţa destul de mare a defectelor de structură, ceea ce duce la un procent de rebuturi destul de mare. În plus, utilajele sunt complexe, scumpe, procesul trebuie foarte bine con-trolat - de exemplu, este necesară măsurarea în permanenţă a grosimii straturilor depuse4. Cablajele realizate prin tehnologii de sinteză permit o foarte mare densitate de compo-nente, care, întotdeauna, se montează pe suprafaţă. Frecvent, astfel de cablaje se folosesc pentru circuite integrate hibride (componentele, fără capsulă, se montează pe suprafaţă, se fac legăturile la terminale încastrate în suport, iar ansamblul se înglobează în răşină şi se încapsulează ermetic). Prin tehnologie hibridă se realizează foarte uşor componente pasive - rezistoare (paste sau depuneri de metale cu rezistivitate mare şi ajustare la valoare cu laser), bobine şi conden-satoare, linii de transmisie plate, etc.

2 Obişnuit se folosesc săruri de argint (ieftine, cu temperaturi de ardere mici), mai rar de aur, rar alte metale 3 Se foloseşte argint, aur, tantal, paladiu, mai rar alte metale 4 Grosimea straturilor se măsoară optic, prin metode de interferenţă

realizarea cablajelor imprimate

Documents