Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ общих тенденций развития и проблем современного производства печатных плат 10
1.1. Тенденции развития производства ПП 10
1.2. Основные проблемы на пути увеличения количества
1.2.1. Влияние контактных площадок на площадь трассировки 13
1.2.2. Уменьшение ширины проводников и зазоров 17
1.2.3. Увеличение числа проводящих слоев 19
1.2.4. Использование многоуровневых соединений 21
1.2.5. Использование пространственных структур межсоединений 22
1.2.6. Использование встроенных компонентов 24
1.2.7. Анализ направлений увеличения плотности межсоединений 25
Выводы по главе 1 27
Глава 2. Анализ влияния технологических процессов и их параметров на точность совмещения слоев МПП 28
2.1. Анализ технологических процессов производства печатных плат... 28
2.1.1. Общие сведения 28
2.1.2. Субтрактивный химический метод 30
2.1.3. Комбинированный позитивный метод 30
2.1.4. Метод металлизации сквозных отверстий 32
2.1.5. Метод послойного наращивания 32
2.2. Авающихся на точности совмещения элементов межсоединений в многосл 34
2.2.1. Термостабилизация 34
2.2.2. Операция сверления 39
2.2.3. Операция сборки и базирования пакета на сверлильном
2.2.4. Операция формирования рисунка слоев 42
2.2.5. Операции сборки пакета и прессования 44
2.2.6. Операция травления проводящего рисунка 46
2.3. Анализ составляющих погрешностей совмещения 48
2.3.1. Позиционные погрешности оборудования 48
2.3.2. Совмещение заготовки при установке на сверлильный
2.3.3. Совмещение заготовки и фотошаблона 54
2.3.4. Совмещение слоев МПП перед прессованием 57
2.3.5. Деформационные погрешности носителей топологии 62
2.3.6. Погрешности формирования оригиналов рисунка слоев 64
2.3.7. Погрешности воспроизведения размера элементов межсоединений 67
2.3.8. Уход сверла во время сверления МПП 70
2.4. Постановка задачи 71
Глава 3. Обеспечение совмещения элементов межсоединений многослойных печатных плат высокого класса точности 73
3.1. Анализ существующих методов расчета размеров и обеспечения совмещения элементов межсоединений 73
3.2. Модель расчета совмещения элементов межсоединений 81
3.2.1. Показатели геометрической стабильности базового материала 81
3.2.2. Суммарная величина погрешности технологического характера 85
3.2.3. Концепция расчета размера контактных площадок 86
3.2.4. Предлагаемый алгоритм расчета проектных норм размера контактной площадки 90
3.2.5. Математическая модель расчета пространственного совмещения элементов межсоединений в многослойных структурах ответственной аппаратуры ЛА 92
3.2.6. Модель зависимости усадки базового материала от толщины меди и стеклотекстолита 93
3.3. Обеспечение совмещения элементов межсоединений 100
3.3.1. Использование масштабного коэффициента для компенсации рассовмещения элементов межсоединений 100
3.3.2. Правила проектирование топологии МПП для уменьшения рассовмещения элементов межсоединений 102
3.3.3. Компенсация деформаций на этапе сверления 104
Выводы по главе 3 110
Глава 4. Обоснование преимуществ предлагаемых методов обеспечения совмещения 112
4.1. Предлагаемый технологический процесс обеспечения совмещения элементов межсоединений 112
4.2. Расчет возможностей производства 113
4.3. Обеспечение выигрыша в трассировочном пространстве при проектировании МПП высокого класса точности 122
4.4. Компенсация деформации на этапе сверления 124
4.5. Перспективная модель расчета деформации тонких слоев МПП... 127
4.6. Экспериментальные исследования 129
Выводы по главе 4 137
Общие выводы 138
Список сокращений и условных обозначений 140
- Уменьшение ширины проводников и зазоров
- Авающихся на точности совмещения элементов межсоединений в многосл
- Анализ существующих методов расчета размеров и обеспечения совмещения элементов межсоединений
- Предлагаемый технологический процесс обеспечения совмещения элементов межсоединений
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Печатные платы (ПП) являются основной сборочной единицей современной электронной и электротехнической аппаратуры любого назначения.
С 2012 года в Российской Федерации запущена государственная программа «Развитие авиационной промышленности на 2013 - 2025 годы», в которой особое место уделяется развитию производства высокотехнологичной и конкурентоспособной авионики. В ходе реализации этой программы предполагается, в том числе, модернизация производственных мощностей, отладка производственных процессов, соответствующих мировому уровню, и внедрение современных технологий. Перечисленные задачи позволят улучшить массогабаритные характеристики бортовой аппаратуры летательных аппаратов (ЛА), что, в свою очередь, потребует использования высокоинтегрированной элементной базы и уменьшения размера монтажных подложек, что приведет к увеличению плотности межсоединений электрических модулей.
Однако увеличение плотности межсоединений неизбежно связано с уменьшением их элементов, что создаёт проблемы в обеспечении надежности ПП и аппаратуры в целом, что недопустимо для аппаратуры ответственного назначения.
Одна из основных проблем, которая вызывает снижение надежности при увеличении плотности межсоединений - рассовмещение слоев многослойных печатных плат (МПП), вызванное деформацией материала подложки и погрешностями технологического характера. Для обеспечения совмещения слоев предосудительно было бы увеличивать размер контактных площадок (КП), так как это ограничивает возможности миниатюризации. В свою очередь, уменьшение размеров КП создает проблемы пространственного совмещения элементов межсоединений в многослойных структурах печатных плат. Решению этой проблемы посвящена данная работа.
Методы проектирования топологии и обеспечения качественного совмещения элементов межсоединений в многослойных печатных структурах не менялись более 20 лет. Они не учитывают факторов, влияние которых стало актуально с уменьшением размеров элементов межсоединений в современном производстве. Это приводит к значительному объему брака и значительному увеличению стоимости МПП 6 и 7 классов по ГОСТ P 53429-2009.
Предмет исследований выполненной работы состоит в поддержании тенденции увеличения плотности компоновки современной авионики с обеспечением достаточного для данной отрасли уровня надежности и снижения затрат на производство, в условиях, когда размеры КП приближаются к величинам, соответствующим деформации МПП при прессовании, а существующие методы расчета КП не обеспечивают надежности совмещения.
Начало таких исследований положили советские и российские ученые: чл.- корр. РАН, д.т.н. Шахнов В.А., д.т.н. Цветков Ю.Б., д.т.н. Медведев A.M., д.т.н. Галецкий Ф.П., к.т.н. Иевлев В.И. и др.; а также зарубежные ученые Эдвард Рент (Edward Rent), Пауль Валднер (Paul Waldner) и др. Однако, из-за высоких темпов развития элементной базы и технологий межсоединений, изменились принципы обеспечения надежности, изменился предмет исследований, и, следовательно, новое время потребовало новых подходов. Цель и задачи работы
Цель работы заключается в повышении плотности межсоединений в многослойных печатных структурах, в сочетании с поддержанием необходимого уровня надежности и улучшения массогабаритных показателей электронных модулей (печатных узлов) бортовой аппаратуры современных летательных аппаратов без значительного увеличения себестоимости конечной продукции. Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:
-
анализ факторов, влияющих на деформацию базового материала, которая сказывается на точности совмещения;
-
разработка методики оценки показателей деформации базового материала;
-
разработка более достоверных методов расчета размера КП, сочетающих показатели реальных условий производства и необходимый уровень надежности межсоединений;
-
разработка технологических методов, позволяющих улучшить совмещение КП.
Объекты и методы исследования
Объект исследования - элементы совмещения в многослойных печатных структурах и их материальные носители.
Теоретические исследования и проведенный анализ основывались на использовании методов экспертных оценок, теории вероятности и математической статистики, линейной алгебры и теоретических основ проектирования технологических процессов.
Научная новизна работы 1. Разработана более достоверная математическая модель зависимости появления ослабленных межсоединений (ненадежное совмещение КП) в МПП от факторов технологического процесса и свойств материала, учитывающая ранее не учитываемые факторы и позволившая повысить плотность межсоединений МПП и, как следствие, улучшить характеристики печатных улов в целом.
-
-
Разработана математическая модель зависимости деформации базового материала от его характеристик, используемая на этапе технологической подготовки производства МПП, позволившая повысить выход годных и, тем самым, снизить себестоимость.
-
Разработан и внедрен метод компенсации деформационных изменений слоев, учитывающий их характеристики, основанный на введении корректирующих коэффициентов при формировании рисунка слоев и позволивший повысить плотность межсоединений и максимальный размер МПП.
-
Разработан и внедрен метод компенсации деформации спрессованной заготовки и погрешности её базирования на этапе сверления переходных отверстий, основанный на пересчете координат формируемых отверстий по изменению координат меток после прессования слоев, позволивший увеличить плотность межсоединений и максимальный размер МПП.
Степень достоверности полученных результатов определилась обоснованностью допущений теоретических моделей путем сравнения с практическими результатами изготовления многослойных печатных плат с высокой плотностью межсоединений в реальных условиях производства, сопоставлением с данными других опубликованных работ и непротиворечивостью физическим законам. Идеи исследования базируются на обобщении практического опыта производства МПП высокого класса точности и передовом опыте автоматизации процессов технологической подготовки производства.
Научные положения, выносимые на защиту
-
-
-
Расчет поправки на усадку для компенсации рассовмещения слоев МПП, основанный на установленной экспоненциальной зависимости усадки от толщин меди и диэлектрического основания базового материала.
-
Зависимость вероятности появления ослабленных соединений от деформационных свойств базового материала и типа базирования при прессовании МПП.
-
Увеличение плотности межсоединений посредством использования модернизированного технологического процесса изготовления МПП, основанного на компенсации усадки базового материала на технологических этапах формирования проводящего рисунка и сверления переходных отверстий.
Практическая значимость
Разработанные в диссертации математические модели, методы компенсации и рекомендации по снижению деформации позволили осуществить переход к более достоверным проектным нормам при условии обеспечения требуемой стабильности технологического процесса и повысить эксплуатационные свойства бортовой аппаратуры за счет улучшения массогабаритных характеристик МПП при стабильной надежности.
Основной практической ценностью диссертационной работы является увеличение плотности межсоединений на 10-30% за счет обеспечения совмещения слоев МПП без снижения показателей надежности и увеличения стоимости изготовления.
Реализация и внедрение результатов работы
Разработанные в диссертации математические модели, методы обеспечения совмещения и рекомендации при проектировании МПП используются в ОАО «Концерн «Моринформсистема-Агат» г. Москва, использованы в опытно- конструкторской работе ООО «Остек-Сервис-Технология» г. Москва и внедрены в учебный процесс на кафедре «Технология приборостроения» ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный технический университет)».
Апробация работы
Основные положения и результаты работы представлялись и докладывались на Научно-технической конференции «Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных информационно-управляющих комплексов», Москва, 2011 г., Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике - 2012», Москва, 2012 г., 11-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика -2012», Москва, 2012 г.
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 13 научных работах, из них 2 опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора
Все научные результаты, включенные в диссертационную работу и представленные к защите, получены, доложены и опубликованы лично автором. Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, состоял в постановке задач, выборе методов их решения, определении направленности экспериментальных исследований, разработке основных принципов проектирования электронных устройств, прогнозирования развития техники межсоединений электронных средств, разработке теоретических основ проектирования межсоединений в электронных системах бортового оборудования ЛА.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами, общих выводов, списка используемых сокращений и списка литературы. Общий объем работы - 149 страниц. Работа содержит 80 рисунков, 26 таблиц и 94 библиографические ссылки.
Уменьшение ширины проводников и зазоров
Очевидно, что уменьшение ширины проводников и зазоров позволяет увеличить количество трасс на каждом слое платы. Но, все же, уменьшать ширину проводников бесконечно невозможно. Такое уменьшение ограничено токонесущими свойствами и омическим сопротивлением проводников [18]. Омическое сопротивление, в ещё большей мере, сказывается на работоспособности схем, когда они имеют большую длину трасс, что для плат не редкость. Существуют и технологические ограничения на ширину проводников, связанные непосредственно с производственным процессом. Выход готовой продукции резко падает, если требования к производственным процессам не укладываются в рамки нормальных допусков, определяемых применяемым оборудованием, материалами и параметрами климатической зоны производственных помещений. Имеются ограничения и на уменьшение расстояний между проводниками (изоляционные зазоры) [19].
Тем не менее, если удалось достичь уменьшения ширины проводников с учетом описанных ограничений, то это позволит эффективно влиять на плотность межсоединений и снижение себестоимости производства печатных плат. Как видно из таблицы 1 [14], уменьшение ширины проводников существенно уменьшает число слоев, необходимое для сигнальной разводки, при условии, что выход годной продукции, плотность межсоединений и площадь платы остаются постоянными. Это уменьшение числа слоев может существенно снизить затраты на производство печатных плат.
Однако уменьшение ширины проводника не всегда доступно как инструмент увеличения плотности межсоединений, и связано это, в первую очередь, с используемой в плате фольгой. Принято, что идеальное соотношения проводник/фольга должно равняться 4,5/1 [20], в противном случае (например 3/1) сильно ухудшается воспроизводимость трасс, и, как следствие, растёт стоимость МПП. Поэтому, например, если в слоях используется медная фольга толщиной 35 мкм, то ширина проводника ограничивается в лучшем случае 0,1 мм, и делать проводники меньшей ширины представляется нецелесообразным [21]. Вторым технологическим фактором, мешающим уменьшению ширины проводников и зазоров, является экспоненциальное увеличение числа дефектов возникающих при формировании рисунка слоев (рисунок 1.10).
Переход от 5-го к 6-му классу точности сопровождается десятикратных увеличением числа дефектов [22,С48]. Большинство из этих дефектов исправляются на этапах межоперационного контроля (для обнаружения и устранения дефектов на слоях требует дорогостоящее и сложное оборудование), но процент бракованных изделий неизбежно возрастает. Всё это приводит к удорожанию продукции с низкими значениями соотношения проводник/зазор при прочих равных параметрах ПП.
Увеличение числа проводящих слоев - это самое простое решение увеличения плотности межсоединений: когда не хватает места на существующих слоях для размещения всех необходимых межсоединений, добавляют ещё один слой. Этот подход широко применялся в прошлом, но когда эффективность затрат на изготовление подложек стала иметь огромное значение, необходимым стал тщательный анализ проекта для минимизации числа слоев, потому что с каждым дополнительным слоем существенно растут затраты на изготовление платы. Как видно из таблицы 1, существует почти линейная зависимость между затратами на изготовление платы и количеством слоев. Таблица 1 также демонстрирует, что любое увеличение числа слоев сигнальной разводки в платах, работающих на высоких ( 1ГГц) частотах, удвоит общее число слоев из-за необходимости использования экранных слоев (слоев заземления или слоев питания) между слоями сигнальной разводки.
Типичный пример влияния числа слоев на конечную стоимость изготовления можно видеть на рисунке 1.11 [22, С.50].
Увеличение числа слоев при любой ширине проводника приводит к большему числу проблем на производственном уровне, и как следствие уменьшается выход годной продукции, что в конечном итоге негативно сказывается на стоимости МПП.
Ради увеличения трассировочного пространства и мобильности трехмерной разводки проводников проектировщики и производители идут на значительные усложнения технологий, чтобы выполнять в многослойных структурах глухие и скрытые отверстия, как показано на рисунке 1.12.
Туре II Constructions -1[С]1 согласно IPC-2226) Традиционные технологии многослойных печатных плат методом металлизации сквозных отверстий, не способны к монтажу микросхем с матричными выводами с шагом менее 1,0 мм. Но уже созданы корпуса микросхем типа CSP с шагом матричных выводов 0,508 мм и 0,254 мм. Для монтажа таких компонентов к МПП добавляются специальные слои с глухими металлизированными отверстиями, на которых реализуется разводка цепей из-под микрокорпусов или из-под бескорпусных кристаллов микросхем (рисунок 1.13). Эти тонкие дополнительные специализированные слои напрессовываются на МПП, после чего в них выполняются глухие металлизированные отверстия. За рубежом данный метод получил название built-up («надстройка»). И хотя в России еще нет соответствующего устоявшегося понятия, ясно, что термин built-up подразумевает сочетание методов металлизации сквозных отверстий и послойного наращивания. Значит, ему можно присвоить длинное название — «МПП с послойным наращиванием внешних слоев» или «МПП с глухими отверстиями» пока в среде русских специалистов не установится более лаконичное наименование.
Использование многоуровневых соединений значительно увеличивает трассировочное пространство печатной платы. В зависимости от типов используемых отверстий (сквозных, глухих, слепых) и общей структуры платы, выигрыш в трассировочном пространстве может составлять от 25% до 50% [23]. Однако, повсеместное использование этой технологии затруднено в связи с необходимостью серьезного переоснащения производства.
Авающихся на точности совмещения элементов межсоединений в многосл
При изготовлении фольгированных диэлектриков полимеризацию связующего основания никогда не доводят до окончательного состояния, так этот процесс длительный, существенно сказывающийся на объеме выхода продукции. Изготовители рассчитывают на то, что при изготовлении печатных плат диэлектрическое основание подвергается дополнительному нагреву и поэтому процесс полимеризации продолжается. Однако при этом он не является целенаправленным и однородным. Поскольку при полимеризации происходит усадка (изменение линейных размеров), необходимо этот процесс выполнять в однородных условиях для получения однозначно стабильных результатов [32].
Смысл термостабилизации состоит в окончательной полимеризации (отверждении) связующего вещества и частичного удаления компонентов летучих (влаги и растворителя) из базового материала. Это делается для улучшения электрических и механических свойств стеклотекстолита.
Степень полимеризации - это число мономерных единиц в молекуле полимера, безразмерная величина, измеряемая в %. Количественно её можно определить, измеряя массу образца до и после удаления мономерных структур. Их удаление производится при помощи аппарата Сокслета, в котором пары ацетона, проходя через материал, растворяют имеющиеся в нём мономеры.
Для каждой марки материала существует своя оптимальная степень полимеризации, т.к. низкое содержание летучих и слишком сильное отверждение приводят к расслоению, понижению теплостойкости и уменьшению прочности базового материала [33].
По изменению величины температуры стеклования (Tg) базового материала можно определить достаточность полимеризации [22,С301]. Имеется ряд методов измерения Tg, такие как спектральный анализ, измерение электрических характеристик и методы термодинамического анализа. К трем методам термодинамического анализа относятся:
- дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC);
- термомеханический анализ (ТМА);
- динамометрический анализ (DMA).
Наибольшее соответствие дает метод термомеханического анализа (ТМА). Для определения полноты термостабилизации, следует проводить как минимум два измерения Tg базового материала. Если значение Tg в первом измерение существенно меньше, чем во втором (Tgl«Tg2; ATg 3C), это означает, что степень полимеризации недостаточна, и требуется термостабилизация.
Установлено, что техпроцесс термостабилизации должен иметь следующие параметры: температура; длительность; давление на заготовку по оси Z; давление воздуха. Температуру устанавливают на 5С выше указанной в паспорте температуры стеклования Tg. Длительность нахождения материала в печи (или прессе) при температуре (Tg+5)C составляет 3 часа, с последующим постепенным охлаждение до температуры окружающего воздуха в течении 5-8 часов. Определено, что вакуум при процессе термостабилизации желателен, но не является необходимым. Давление по оси Z можно обеспечить в прессе, выставив значение равное 2 кг/см .
Степень полимеризации полимерного связующего сказывается на размерной стабильности слоев. При прессовании МПП происходит дополнительная полимеризация, которая сопровождается усадкой материала, т.е. изменением линейных размеров. Поэтому важно обеспечить предсказуемость этих изменений. Это достигается доведением всех заготовок базового материала перед началом всех этапов изготовления до единого уровня полимеризации связующего.
Для исследования влияния процесса термостабилизации на деформационные показатели базового материала проведен эксперимент, цель которого состояла в установлении взаимосвязи проведения термостабилизации и величины деформации заготовок слоев в процессе прессования пакета МПП. Методика проведения эксперимента:
1. На каждой из 8 заготовок просверлены 4 контрольных отверстия диаметром 1 мм, согласно рисунку 2.6. Материал заготовок СОНФ-М FR-4 18/18 - 0,15.
2. Заготовки пронумерованы.
3. Измерены координаты контрольных точек на всех заготовках.
4. Заготовки 1-М- термостабилизированы со следующими параметрами процесса: температура 135 С, давление 2 кг/см , вакуум отсутствует, время термостабилизации 3 часа с постепенным остыванием до нормальной температуры в течении 5 часов.
5. Измерены координаты контрольных точек на заготовках 1-М.
6. Проведен процесс имитации прессования в прессе при температуре в 180С и давлении 16 кг/см2 со всеми заготовками.
7. Измерены координаты контрольных точек на всех заготовках.
8. Рассчитано отношение исходной длины отрезков (1-2;2-3;3-4;4-1) к длине этих отрезков после прессования L2/L1. 9. Рассчитана поправка на усадку, равная с=1- L2/L1. В результате эксперимента получены координаты контрольных точек. В таблице 4 представлены данные для заготовок 1-М (термостабилизированные), в таблице 5 - для заготовок 5 -8 (без термостабилизации).
Анализ существующих методов расчета размеров и обеспечения совмещения элементов межсоединений
В настоящее время актуальным государственным стандартом на параметры конструкции печатных плат является ГОСТ Р 53429-2009 «Печатные платы. Основные параметры конструкции», который был введен вместо устаревшего ГОСТ 23751-86 «Печатные платы. Основные параметры конструкции». В новом ГОСТ, по сравнению с версией 1986 года, расширена номенклатура классов точности до 7 (см. таблицу 12) и предусмотрены нормы для ПП с поверхностно монтируемыми изделиями электронной техники (ПМИЭТ).
Однако способы расчета наименьшего номинального размера контактной площадки D и наименьшего номинального расстояния для прокладки n-го числа проводников L, показанные схематично на рисунке 3.1, не пересматривались.
Наименьший номинальный размер контактной площадки D, мм, рассчитывают по формуле: где d - диаметр отверстия, мм; f\de.0 - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия, мм; Admp - значение подтравливания диэлектрика в отверстии, равное 0,03 мм для МПП и нулю для ОПП и ДПП; b - гарантийный поясок контактной площадки, мм; Дґв.0 - верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки, мм; Дґко - нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки, мм; 7Ь - позиционный допуск расположения контактной площадки, мм; Та - позиционный допуск расположения отверстия, мм.
Наименьшее номинальное расстояние для прокладки n-го числа проводников L, мм, рассчитывают по формуле
где D], D2 - диаметры контактных площадок или диаметры окружностей, вписанных в контактные площадки с формой, отличной от круглой, мм; t -ширина проводника, мм; S - расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка, мм; Г/ - позиционный допуск расположения элемента проводящего рисунка, мм.
Рисунок 3.1. Многослойная печатная плата (МПП). ГОСТ 23751-86
Для примера рассчитаем размер контактной площадки по вышеописанной методике для многослойной печатной платы 5-го класса точности размером 240x300 с переходными отверстиями 00,20 мм. Позиционные допуска расположения контактных площадок и предельные отклонения диаметра отверстий указаны в соответствующих таблицах ГОСТ Р 53429-2009 для всех семи классов точности. Подставляя данные в формулу (3.1) получаем:
Полученную величину диаметра контактной площадки можно использовать в качестве технологической нормы при проектировании конструкции печатной платы. Но так как при её расчете не учитывается тип системы совмещения или базирования, используемый на производстве, а так же игнорируются деформационные процессы в базовом материале, она может оказаться как завышенной, так и заниженной, что негативно скажется либо на доступном трассировочном пространстве, либо на надежности ПП.
Первый метод расчета размеров КП, учитывающий размер ПП - это прикладная математическая модель факторного анализа вероятности пространственного совмещения элементов соединений в трехмерных структурах МПП Аркадия Максимовича Медведева. Модель разрабатывалась им с 1974 года [64-67], и в законченном виде была представлена к 1990 году [68; 69].
В своей работе Медведев показывает, что используемый метод расчета элементов межсоединений ПП, основанный на методе полной взаимозаменяемости, заимствованном из инженерной практики машиностроения (метод «минимума-максимума»), только до определённого этапа развития электронных устройств удовлетворял потребности проектирования. Для технических устройств, использующих высокую плотность монтажа с большим количеством элементов межсоединений, когда размеры элементов соединений соответствуют предельным возможностям производства, более приемлем вероятностный метод расчета плоских размерных цепей. И, вместе с тем, этот метод создает основу для оценки конкретного производства в возможностях реализации проектов межсоединений и позволяет рассчитать их надежность в зависимости от сложности конструкций монтажных изделий в сопоставлении с техническим уровнем производства [70,С.11].
В работе погрешности изготовления МПП группируются на: Позиционные погрешности, не зависящие от линейных размеров плат (погрешности оборудования и систем базирования)
Линейно-зависимые погрешности, связанные с деформациями оснований, несущих топологический рисунок межсоединений (деформации полимерной основы фотошаблонов, тонких оснований внутренних слоев МПП и д.р.)
Исследованиями линейно-зависимых погрешностей в работе установлено, что по мере увеличения линейных размеров печатных плат и расстояния печатных элементов от условно выбранного начала координат, математическое ожидание mL величины их смещения меняется линейно, а дисперсия &1 - параболически: mL = m0L, &l = (TQL2 , где m0 и OQ - математическое ожидание и дисперсия линейной деформации материалов, отнесенные к единице длины.
Суммарная погрешность совмещения элементов соединений рассчитывается следующим образом: где q - коэффициент вариации, связанный с неизбежными производственными дефектами и естественными причинами рассеивания; (Хф и ас - относительные деформации материалов фотошаблона и слоев, указываемые в соответствующих ТУ. Значения коэффициента q определяются допустимой вероятностью ослабленных соединений и находятся по табуляции функции нормального распределения. За условие конструкционной надежности трансверсальных соединений в трехмерных структурах МПП принято: 0,5[D — (d + 2b)] А (3.2) где D - размер контактных площадок; d - диаметр сверления отверстий под металлизацию; b - гарантированный поясок охвата отверстия контактной площадкой; А - суммарная погрешность. А условие размещения трасс печатных проводников между сквозными металлизированными отверстия определяется неравенством: рВ + (р + 1)С Т — D (3.3) где р - число трасс; В - ширина печатного проводника; С - ширина изоляционного зазора между печатными проводниками; Т - шаг координатной сетки размещения сквозных металлизированных отверстий. Размеры элементов межсоединений выбираются из условия одновременного соблюдения неравенств (3.2) и (3.3). Погрешности совмещения трехмерных соединений находятся в непосредственной зависимости от технической вооруженности производства и линейных размеров МПП. Результаты расчетов для четырех различных типов производства, с использованием данной математической модели, приведены на рисунке 3.2. Рисунок 3.2. Зависимость суммарной погрешности от длины ПП для различных типов производства В математической модели совмещения Медведева A.M. учитываются деформационные процессы, происходящие с заготовками МПП, однако не учитываются системы совмещения слоев МПП во время прессования. В работах Владимира Ильича Иевлева отклонения координат печатных элементов и монтажных отверстий относительно номинальных положений являются уже следствием в трех групп погрешностей:
1) позиционирования рабочих органов технологического оборудования;
2) совмещения и базирования плат на сверлильном станке;
3) изменения координат печатных элементов на фотошаблонах и слоях вследствие размерной нестабильности фотопленок и тонких фольгированных диэлектриков.
Предлагаемый технологический процесс обеспечения совмещения элементов межсоединений
Математическая модель расчета размера элементов совмещения в зависимости от типа технологического процесса, системы совмещения и типа базового материала позволяет оценить минимально возможный размер контактной площадки МПП 5 класса точности размером 350x280 мм для имеющегося технологического процесса. Также разработанная модель показывает зависимость размера КП от геометрических параметров заготовки.
Для примера возьмём 3 типа производств многослойных печатных плат методом металлизации сквозных отверстий с различными вариантами реализации технологических процессов и систем совмещения, но с одинаковыми техническими параметрами однотипного оборудования. Базовый материал, используемый для изготовления МПП во всех случаях одинаков. Для каждого из трёх типов производств определим минимально возможный размер контактной площадки.
Для 1-го типа производства характерно использование фотошаблонов, наличие механических систем совмещения и базирования, отсутствие термостабилизации базового материала и прессование на штифтах L-конфигурации (т.к. это единственная штифтовая система прессования, которая обеспечивает независимости размера заготовки от размеров пресс-формы, и, следовательно, пригодна для многономенклатурного производства). Так же положим, что на данном типе производства не используются методы компенсации неравномерности усадки заготовки МПП (заполнение медью и коррекция сверление переходных отверстий). Основные погрешности, возникающие на этом типе производства, представлены в таблице 17.
Для 2-го типа производства характерно использование фотошаблонов, наличие оптических систем базирования фотошаблона или заготовки на сверлильном станке, применение термостабилизации и методов компенсации неравномерности усадки базового материала, а также сборка пакета МПП на штифтах с фиксацией заклепками и бесштифтовое прессование. Основные погрешности, возникающие на этом типе производства, представлены в таблице 18.
Для 3-го типа производства характерно использование методов прямого формирования рисунка и оптического базирования заготовки на сверлильном станке, применение термостабилизации и методов компенсации неравномерности усадки базового материала, а также автоматическая оптическая сборка пакета
МПП с фиксацией спайкой и бесштифтовое прессование. Основные погрешности, возникающие на этом типе производства, представлены в таблице 19.
Величины погрешностей, перечисленных в таблицах 17, 18 и 19 для трех типов производств, представлены в таблице 20. В данном примере все слои МПП изготавливаются на базовом материале с одинаковой толщиной диэлектрика и меди, а все переходные отверстия реализуются сверлом d=0,2 мм с гарантийным пояском G=0,025 мм.
Величины WIBM(T) И 0"БМ(Т) определяются по методике оценки геометрической стабильности базового материала, описанной в разделе 3.2.1, а величины БМ(НТ) и "БМ(НТ) ВЫЧИСЛЯЮТСЯ путём умножения полученных значений 7ПБМ(т) и 0"БМ(Т) на Два.
Измерено на длине L0 = 260 мм : тБМ = 0,000206 , 6 (ТБМ(Т) = 0,000234
Следовательно: тБМ(н = 0,000412 , 6 ТБМ(НТ) = 0,000468
Далее, используя значения, полученные ранее, запишем формулы расчета размера круглой КП (овальную форму КП в данном случае использовать не имеет смысла ввиду одинаковых показателей усадки по основе и утку для заданного материала) для производств 1, 2 и 3 типа, а также двух вариантов усовершенствования первого типа производства: с внедрением термостабилизации (тип 1.1), и использованием прессования на 4 штифтах (тип 1.2). При записи будем учитывать тот факт, что мероприятия по компенсации нестабильности базового материала позволяют исключить систематическую погрешность усадки (тш).Построим график (рисунок 4.3) зависимости минимального диаметра контактной площадки от длины наибольшей стороны печатной платы для всех типов рассмотренных выше типов производств. Использование КП рассчитанного диаметра позволяет обеспечить заданный гарантийный поясок, и соответственно, гарантировать качественное соединение элементов совмещения.
Зависимость минимального диаметра контактной площадки от длины наибольшей стороны печатной платы
По рисунку 4.3 можно сделать следующие выводы:
1. Термостабилизация играет большую роль в стабильности производства, существенно сокращая размеры элементов межсоединений (типы 1 и 1.1). Производство прецизионных ПП без неё представляется нецелесообразным.
2. Стоит обращать внимание на используемую систему фиксации заготовок при прессовании, так как при изготовлении плат длинной свыше 300 мм вносимая этой системой погрешность принимает значения более 0,1 мм, что отрицательно сказывается на доступном трассировочном пространстве МПП (типы 1.1 и 1.2).
3. Очевидно преимущество использования методов по компенсации нестабильности базового материала (типы 1.2 и 2).
4. Продемонстрировано низкое влияние суммарной погрешности, вносимой оборудованием на итоговый размер КП (типы 2 и 3, 49 и 36 мкм соответственно). Основной вклад в итоговую погрешность вносит нестабильность базового материала, и именно над компенсацией и снижением этой погрешности необходимо работать в первую очередь.
5. Метод расчета диаметра КП, устанавливаемый в ГОСТ 53429-2009 не учитывает изменение величины деформации материала при увеличении размера заготовки, и как следствие либо сильно завышает технологические нормы (длина ПП до 150 мм), либо наоборот занижает (длина ПП свыше 300 мм).
Похожие диссертации на Обеспечение пространственного совмещения элементов межсоединений в многослойных печатных структурах
-
-
-
