Производство печатных плат из многослойной керамики

Печатная плата составляет основу любого электронного изделия, входя в состав компьютеров, сотовых телефонов и военной техники. Появившись более 100 лет назад, это устройство ознаменовало огромный скачок в развитии радиоэлектронной аппаратуры. Однако, вследствие постоянного ужесточения требований к печатным платам, идущих путём миниатюризации изделий, с разработкой высокоинтегрированных сборок, на фоне постоянно растущего количества технических требований к печатным платам, возникла необходимость внедрения в производственные циклы нового материала. Также, получение максимальной производительности при минимальном занимаемом объеме неизбежно вызывает все более сильное нагревание электронных компонентов, и как следствие значительно большее тепловыделение. Керамические печатные платы могут применяться в составе гибридных электронных схем, в области силовой электроники, оптоэлектронике и СВЧ технике, а также быть использованы для электрической изоляции конструкций, узлов и элементов различных электронных устройств. Керамика актуальна в этой области применения в связи с обеспечением эффективного теплоотвода от электронных компонентов с помощью материала основы. При монтаже основание платы может крепиться к радиатору. Пример такой платы показан на рисунке 1.

Рисунок 1.

В настоящее время в силовой электронике и микроэлектронике широко распространены керамические платы и подложки с использованием в качестве основы производственных процессов тонких или толстых пленок. Компанией «ТЕСТПРИБОР» освоены технологии изготовления однослойных и многослойных плат и подложек из вакуумплотной керамики на основе оксида алюминия (Al2O3) и нитрида алюминия (AlN) как по толстоплёночной технологии, так и по тонкоплёночной.

Изделия из таких материалов характеризуются:

• высокой теплопроводностью;
• высокой степенью герметичности;
• низким коэффициентом теплового расширения;
• низкими диэлектрическими потерями;
• высокой механической прочностью;
• высоким качеством обработки поверхности.

Первым шагом при проектировании печатных плат из керамики является грамотный выбор материала подложки, который осуществляется исходя из технических требований заказчика. Производство АО «ТЕСТПРИБОР» изготавливает и поставляет различного рода спеченные керамические пластины, выполненные из:

• оксида алюминия Al2O3 с содержанием его в количестве 92,96 и 99%,
• нитрида алюминия AlN, в том числе полированного.

Характеристики подложек представлены в таблице ниже.

Толщины пластин варьируют от 0,127 до 2 мм, возможно изготовление подложек нестандартной толщины по документации заказчика.

В условиях производства АО «ТЕСТПРИБОР» освоена технология изготовления не только односторонних и двухсторонних плат на основе спеченной, но и многослойных плат на основе сырой керамики.

Диаграмма процесса производства многослойных металлокерамических плат, а также примеры изделий, изготовленных на основе технологии НТСС, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2.

Многослойные печатные платы нашего производства являются высококачественными, так как особое внимание уделяется контролю и выбору сырья, используемого при производстве керамики, а также многостадийному контролю производства на каждом этапе технологического процесса.

Обработка поверхности керамики как спеченной, так и сырой, производится по ТЗ заказчика. После обжига керамика может подвергаться полировке и шлифовке до требуемых значений плоскостности, параллельности и шероховатости.

Для формирования отверстий (сквозных, переходных, торцевых, межслойных), посадочных площадок и гнёзд, колодцев и т.д., при производстве керамических плат применяются следующие виды механической обработки керамики:

• пробивка отверстий – используется исключительно в «сырой» керамике при небольших толщинах, позволяет получить почти идеальный край отверстия при высокой скорости обработки (до 500 отверстий в секунду), но имеет ограничения по геометрии и размерам производимых отверстий;
• лазерная обработка – используется как по «сырой», так и по спечённой керамике. Не имеет ограничений по геометрии и размерам формируемых элементов, но при обработке керамики толщиной от 0,2 мм выявляется небольшая конусность края получаемых элементов, что требуется учитывать при разработке ТЗ, а при толщинах более 1мм требуется применение технологически сложных режимов обработки с применением инертных газов в качестве рабочей среды;
• резка горячим ножом – применяется исключительно в «сырой» керамике для разделения керамической заготовки на изделия, имеет высокую скорость обработки, особенно эффективна при групповом методе обработки деталей с высокой плотностью группы;
• прецизионная дисковая резка – применяется для получения прямого сплошного реза и скрайбирования как сырых, так и обожжённых керамических изделий. Используется для разделения керамической заготовки на готовые платы или её надрезки.

На рисунке 3 показана керамическая заготовка с расположенными на ней изделиями (групповой метод).

Рисунок 3.

С помощью специального оборудования производится скрайбирование и резка спеченной и сырой керамики, а также прошивка в ней отверстий. Вне зависимости от выбранного способа, точность обработки керамических изделий будет не хуже ±0.02мм, что подтверждается встроенными в оборудование оптическими средствами автоматического контроля качества.

Керамические платы и подложки могут иметь как одно- или двухстороннюю сплошную металлизацию, так и топологический рисунок, сформированный в соответствии с техническими требованиями заказчика. Для металлизации керамических плат в АО «ТЕСТПРИБОР» наиболее часто применяют толстопленочную технологию Thick-Film (рис. 4, а): проводящий топологический рисунок и изоляционные слои формируются путем нанесения металлизационной пасты с последующим вжиганием в защитной среде методом трафаретной печати. Толстопленочная технология нанесения металлизации позволяет формировать проводниковые слои в среднем около 25 мкм до и до 50 мкм после процесса вжигания. В пастах, используемых для формирования толстопленочной металлизации методом трафаретной печати, используются различные компоненты. Ввиду специфики термических процессов в основном применяются тугоплавкие металлы - молибден и вольфрам – наиболее подходящие по физическим характеристикам для высокотемпературной керамики металлы. По требованию заказчика возможно нанесение металлизации драгоценными металлами, такими как серебро, серебро-палладий, золото. Применение паст с драгоценными металлами особенно актуально для низкотемпературной керамики. Также, возможно формирование элементов топологии из резистивной или диэлектрической пасты, что позволяет «печатать» на поверхности и внутри слоёв керамических плат встроенные резисторы, конденсаторы и индуктивности.

Соответствие толщины и стабильность нанесения паст достигается при помощи:

• строгого контроля физических параметров паст (вязкости, размера частиц и т.д.),
• грамотному выбору используемого при работе материала и режимов печати технологом участка.

Отдельную нишу в процессах нанесения металлизации на производстве АО «ТЕСТПРИБОР» занимают технологии DBC и STC (см. рис. 4, б). Эти технологии используются для изготовления керамических плат на основе Al2O3 96% и AlN с металлизацией медью толщиной до 400 мкм, с возможностью последующего формирования заданного топологического рисунка фотолитографическими методами или методом вакуумного напыления и наращивания проводникового слоя через специальные маски.

Рисунок 4.

Повышенные требования к качеству и точности нанесения металлизации выявили необходимость организации собственного изготовления сетчатых. В условиях производства АО «ТЕСТПРИБОР» осуществляется изготовление высококачественных сетчатых трафаретов со следующими характеристиками:

• максимальный размер трафаретной рамы 450х450 мм,
• минимальный размер ячейки сетки – 0,038 мм,
• материал сетки – проволока из нержавеющей стали с минимальным диаметром 0,02 мм,
• точность изготовления фотошаблонов – не хуже 6 мкм.

Качество трафаретов, от которого напрямую зависит качество готовой металлизации, достигается за счет:

• использования высококачественной сетки, обеспечивающей высокую степень натяжения, малое удлинение ее, высокий предел текучести пасты;
• точность геометрических параметров ячеек сетки позволяет строго контролировать расход пасты, а также получать точный допуск габаритов отпечатка;
• сетка натянута таким образом, что во время печати она максимально упруга, что повышает срок ее службы;
• высококачественный плёночный фоторезист обеспечивает постоянство и долговечность характеристик, отличное качество отпечатков и повторяемость.

Процесс вжигания производится в колпаковой печи в строго контролируемой по качеству газов азото-водородной среде при температуре в диапазоне от 1300 до 1700ºС. Получение качественной вакуумплотной керамики достигается благодаря использованию печей с программным управлением, точностью поддержанием температуры до ±0,1°С во всём диапазоне температур и газов особой чистоты. Строгий контроль за соблюдением технологических параметров гарантирует стабильность и управляемость процессов усадки керамики. Собственная газогенерирующая установка обеспечивает производство технологическими газами чистотой 99,9995% (остаточная концентрация примесей не более 5 ppm). В зависимости от выбранного материала плат и подложек и сложности изделия, процесс обжига может занимать до двух суток. Пример керамической платы до обжига (слева) и после обжига (справа) показан на рисунке 5.

Рисунок 5.

Следующим этапом в изготовлении керамических плат и подложек является пайка – размещение на плате необходимых металлических элементов, например, ободков, необходимых для последующей герметизации монтируемых на плату электронных компонентов, экранов или теплоотводов. Применение графитовой оснастки собственного производства в паре с компьютерными методами расчёта, а также применение специальных припойных материалов, позволяет получить качественный спай между различными по коэффициенту теплового расширения материалам. На производстве АО «ТЕСТПРИБОР» применяется технология пайки керамики со следующими группами металлов: ковар, медь, псевдосплавы МД-40 и ВД-15, иные сплавы с медью/вольфрамом/молибденом, а также композитные многослойные материалы с повышенной теплопроводностью.

В рамках освоения различного рода экспериментальной и серийной продукции на производстве освоены следующие технологиями нанесения гальванических покрытий:

• электрохимическое никелирование из растворов различных составов: толщина слоя покрытия до 30 мкм;
• электрохимическое никелирование сплавом никель-фосфор: толщина слоя покрытия до 30 мкм;
• химическое никелирование сплавами никель-фосфор, никель-бор: гарантированная толщина покрытия до 10 мкм, для изделий сложной формы и топологии с большим количеством изолированных монтажных площадок (в том числе на печатных платах), проволочных выводов электрохимическое золочение: толщина покрытия около 10 мкм;
• химическое и иммерсионное золочение: толщина покрытия, нанесенного химическим способом от 0,5 до 2,5 мкм, толщина слоя иммерсионного покрытия до 0,15 мкм - для изделий сложной формы и топологии с большим количеством изолированных монтажных площадок (в том числе печатных плат), проволочных выводов.

Образцы гальванического покрытия приведены на рисунке 6.

.

Рисунок 6.

В том случае, когда на детали имеется большое количество изолированных поверхностей (например, при производстве печатных плат), изделие имеет сложную форму, предпочтительно использовать химический способ нанесения. Такая технология в данном случае позволяет значительно повысить качество покрытия.

Для формирования подслоя под золотое покрытие, а также других технологических целей в том числе на металлизацию, выполненную из тугоплавких материалов (молибден, вольфрам) на диэлектрических подложках (керамика), используются покрытия сплавами никель-бор и никель-фосфор.

При необходимости на никелевое покрытие возможно нанести слой золота выполненный химическим или иммерсионным способами, толщина наносимого покрытия золотом может гарантированно достигать до 2,5-3 мкм. Проведенные испытания изделий с таким покрытием показали, что покрытие сохраняет паяемость и антикоррозионные свойства.

Благодаря всем перечисленным процессам, на производстве АО «ТЕСТПРИБОР» освоены технологии полного цикла изготовления печатных плат, на основе подложек из различных видов спеченной алюмооксидной и алюмонитридной керамики.

Высокое качество печатных плат гарантируется за счет следующих параметров:

• изготовление керамических подложек для печатных плат происходит в полном соответствии с требованиям, предъявляемым к изделию;
• при производстве используются высококачественные трафареты для печати, изготавливаемые из определенных материалов с заданными характеристиками;
• строгий контроль физических параметров паст, грамотно подобранные составы, а также режимы нанесения и вжигания металлизации;
• особое внимание уделено проектированию оборудования и оснастки, позволяющим получать повторяемость по толщине, характеристикам металлизации и покрытия внутри партии, и достигать равномерности покрытия на одном изделии настолько, насколько позволяют его геометрические характеристики;
• качество используемых при покрытии гальванических растворов и постоянство технологических параметров четко контролируются производственной лабораторией и инженерным персоналом;
• уникальные, современные составы позволяют наносить как классические покрытия, так и редко используемые при обычной практике – например, золотое покрытие, выполненное химическим способом до толщины более 2 мкм, что способствует осуществлению широкого спектра задач;
• контроль качества изделий производится в несколько этапов по многим параметрам на 100% продукции преимущественно неразрушающими (бесконтактными) методами, что снижает вероятность попадания бракованных изделий к заказчику.

Таким образом, производством АО «ТЕСТПРИБОР» освоен полный цикл производства керамических плат и подложек, в том числе изготовление уникальной технологической оснастки и трафаретов. Качество выпускаемой продукции строго контролируется на каждом этапе производства, что обеспечивает её соответствие всем техническим требованиям заказчика.