Гибкие микропечатные платы (Базовый технологический процесс)

Введение

Проведение технологических разработок по созданию микропечатных плат с высокоплотным уровнем монтажа диктуется требованиями уменьшения габаритов модулей в различных областях: в радио электронике, в биологии, в медицине и др. Одна из современных разработок в этом направлении является создание сенсорных модулей различных форм-факторов. Требование уменьшения габаритов сенсорных модулей приводит к необходимости использования перспективных технологий и конструкций, соответствующих повышающимся требованиям современных микросхем/ уменьшение шага и формы выводов корпусов микросхем и др./

В этой разработке решалась задача создания технологического процесса изготовления гибких микроплат на полиимидной основе с целью создания малогабаритных трансформирующихся и объемных конструктивов с повышенной функциональной емкостью.

Гибкая полиимидная плата достаточно легко адаптируется к различного рода формообразованиям за счет высокой эластичности и механической прочности полиимидной пленки. Полиимидная микроплата должна воспринимать монтаж современных микросхем с разными типами корпусов и выводов и других электронных компонент.

Способность платы к перегибам допускает создавать структуру в виде 2-х слойного или многослойного пакета малой толщины и площади (Рис.1).

Значительным технологическим фактором, способствующим развитию технологии гибких плат, явилось появление на мировом рынке серии материалов марки Pyralux-AP и Pyralux-ТМ, которые обладают отличными технологическими качествами и электрофизическими параметрами.

Исходные материалы

В качестве исходных материалов в разработке были использованы два типа: Pyralux -АР7163Е и Руrа1uх-АР7164Е. Эти материалы имеют ультратонкую 3-х слойную структуру медь-полиимид-медь,в которой толщина полиимидного диэлектрика составляет — 0,025мм, а толщина слоев меди — 0,009мм и 0,012мм соответственно. Одно из технологических достоинств материалов этих марок состоит в том, что 3-х слойная структура не содержит адгезионных прослоек между медью и полиимидом. При этом структура обладает высокой силой сцепления между слоем меди и поверхностью полиимида. Материал с безадгезивной и высокопрочной структурой является высокотехнологичным для фотолитографической обработки и группового избирательного травления сквозных отверстий в переходах и фототравления элементов топологии очень малых размеров.

Следует выделить такие характеристики Pyralux -АР:

• высокая термостойкостъ (З50 ^º С) и холодостойкость (-196 ^º С) 

• высокая эластичность и механическая прочность полиимида

• высокая начальная жесткость и плоскостность листов в состоянии поставки

• высокая избирательность при химобработке полиимида и меди

Ввиду хорошей адаптивности к фотохимическому избирательному травлению полиимида безадгезивная структура материала позволяет полностью исключить из техпроцесса изготовления плат применение механических операций сверления и фрезерования, заменяя их групповыми процессами, и, таким образом сократить технологический цикл, снизить трудоемкость и, в конечном счете, уменьшить себестоимость изготовления гибких микропечатных плат.

Методы технологии

В данной разработке мы придерживались принципа интегральности обработки материала на каждом технологическом этапе, т. е. максимальное использование одновременной (параллельной) обработки всего массива элементов платы на каждой операции.

Исходя из требований создания микропечатных плат высокой плотности и прецизионности элементов топологии, оказалось целесообразным применять методы микроэлектронной технологии, которая включает:

• использование жидких фоторезистов (ФР), обладающих высокой чувствительностью

• использование широкого арсенала способов нанесения ФР на пластину (центрифуга, погружение, пульверизация)

• сочетание позитивных и негативных фоторезистов

• экспонирование (возможно на зазоре) с применением колимированного пучка УФ излучения

• применение стеклянных /в сочетании с пленочными/ фотошаблонов, обеспечивающих высокую точность передачи изображения

• плазмохимическая и ионно-плазменная избирательная обработка материалов

При нанесении фоторезиста на заготовку размером 120×120×0,05мм методом свободного погружения и вытягивания с малой скоростью формируется пленка ФР толщиной 1 — Змкм с минимальными напряжениями и дефектами. При сушке таких пленок не возникает заметных искажений плоскостности пластин. Возможна групповая обработка. Возможность сочетания в техпроцессе позитивного и негативного фоторезистов обеспечивает технологическую гибкость: при изготовлении ф/шаблонов, при совмещении слоев, при применении кислотных или щелочных травителей.

Процесс экспонирования тонких пленок ФР выполняется на установках типа ЭМ-576 или ЭМ-565 с односторонним и 2-х сторонним экспонированием. Такие установки оборудованы оптической системой, обеспечивающей в зоне экспонирования строго параллельный пучок холодного УФ излучения. Диаметр светового пятна в зоне экспонирования — 0100—110мм.

Фотошаблоны

Применение в техпроцессе высокочувствительных жидких фоторезистов предъявляет повышенные требования к качеству фотошаблонов (ФШ), определяющих уровень прецизионности элементов микропечатных гибких плат. В разработке применялись ФШ, изготовленные на высококачественной фотопленке фирмы Кодак с использованием автоматизированного оборудования, способного генерировать элементы топологии с минимальными размерами - 25÷30 мкм.

Для изготовления 2-х сторонней микропечатной платы был использован комплект из 6-ти (макс. из 8-ми) фотошаблонов. Все ФШ комплекта имели сквозное совмещение (суммарная неточность — 10мкм). При 2-х сторонней фотолитографической обработке фотошаблоны применяются попарно (совмещенные и зафиксированные в пакете):

• 1-й пакет = ФШ1+ФШ2 — формирование межслойных переходов

• 2-й пакет = ФШЗ+ФШ4 — формирование проводников межсоединений

• 3-й пакет = ФШ5+ФШ6 — изготовление защитной маски для лужения и монтажа компонент
  

Основные технологические процессы

Полный технологический цикл изготовления гибкой микропечатной платы условно может быть разбит на три этапа, последовательность которых может меняться в зависимости от типа платы.

На первом этапе формируются все межслойные переходы и технологические элементы совмещения.

Второй этап включает создание всех элементов межсоединений и элементов монтажа из меди.

Завершающий третий этап — формирование термостойкой изоляционной защитной маски и лужение элементов монтажа.

Этап создания межслойных переходов является наиболее трудоемким по числу и характеру технологических операций. Этап включает 2-х стороннюю фотопечать с локализацией переходов, травление меди в переходах с минимальным диаметром — 0 0,05мм, травление сквозных отверстий в полиимиде (толщ.-0,025мм) и селективное гальваническое наращивание меди в межслойных переходах.

Ввиду того обстоятельства, что все перечисленные операции выполняются с применением агрессивных кислотных и щелочных сред, для надежной фотопечати был использован наиболее стойкий (особенно в щелочной среде) негативный фоторезист ФН-11С. Такой прием оказался достаточно эффективным, так как позволил с однократной фотолитографией выполнить подряд три различных операции, которые формируют весь массив межслойных переходов платы.

Изучение сформированных переходов показало, то сквозное отверстие в полиимиде в результате травления увеличивается на размер толщины пленки полиимида (0,025мм), а минимальный диаметр перехода зарастает до 0,01—0,015мм. В результате формируется надежный межслойный переход.

На втором этапе формирования прецизионного микрорельефа сигнальных слоев более целесообразно применять позитивный фоторезист ФП-051К, как имеющий повышенную фоточувствительность, для достижения высокой прецизионности элементов. При этом за счет большей вязкости и толщины позитивный ФР надежно защищает сформированные межслойные переходы при травлении меди проводников ( Рис.2). На этой стадии техпроцесса воспроизводимо были изготовлены структуры проводников шириной 0,07мм при зазоре между проводниками — 0,075мм. При формировании микрорельефа с малой шириной проводников следует предусматривать, чтобы каналы травления имели однородную ширину. Это способствует равномерности удаляемого медного материала и предотвращает случаи дефектных утонений или перетрава узких проводников. Другими словами необходимо на этапе формирования ФШ обеспечить однородный контур травления.

Для формирования защитной маски на гибкой микропечатной плате был использован модернизированный негативный высокостойкий фоторезист с высокой вязкостью ФН-11СК,применяемый в практике как электроизоляционный материал. В качестве альтернативы для защитной маски может также быть использован полиимидный лак марки АД-9103.Однако второй вариант более трудоемкий по операциям. Формирование слоя защиты из ФР ФН-11СК выполнялось путем 2-х ÷ 3-х кратного погружения в объем фоторезиста с промежуточной сушкой (90°С) между погружениями. Полученные таким образом пленки требуют увеличения времени экспонирования и более интенсивного проявления с применением пульверизации толуола.

Завершается формирование защитной маски высокотемпературной полимеризацией при +200°С. Результирующая толщина маски составляет 7÷8 мкм. Операция облуживания выполняется методом сканирования миниволны расплава припоя по монтажной поверхности гибкой платы, зафиксированной на вакуумном столе с подогревом и координатным перемещением.

С учетом результатов, полученных в ходе технологической разработки, и исходя из конструктивно-присоединительных размеров применяемых микросхем были сформулированы нормы для проектирования фотошаблонов и изготовления гибких микропечатных плат:

1. Максимальный размер рабочего поля — 80 × 80 мм 
2. Минимальная ширина проводника — 0,075 мм 
3. Минимальный зазор между проводниками — 0,075 мм 
4. Минимальный диаметр отв. в переходе — 0,050 мм 
5. Максимальный диаметр отв. в переходе — 0,150 мм 
6. Минимальный размер КП в переходе — 0,300 мм 
7. В матричном монтажном поле BGA микросхем с дискретом матрицы — 1,0 мм — между любой парой КП трассировать 2 ÷3 провода.
8. Свободные (пробельные) поля платы — залить металлом с зазором 0,1 мм. 

Техника монтажа на гибких платах

При выполнении монтажных операций необходимо предусматривать определенные приемы, обеспечивающие сохранение приемлемой плоскостности монтажной поверхности гибкой платы толщиной 0,05мм особенно в варианте 2-стороннего монтажа. Один из возможных приемов (при одностороннем монтаже) заключается в том, что гибкая плата размещается на жестком термостойком основании-носителе (керамика, ковар и др.) и фиксируется на нем с помощью технологических отверстий в плате. На таком жестком носителе плата может воспринимать все монтажные операции: нагрев, пайку, исправление дефектов.

В случае двухстороннего монтажа было выработано решение ввести локальные участки жесткости для каждого монтажного поля микросхемы. Например, для усложненного варианта монтажа микросхем в ВGА корпусах предложено применять жесткое «седло» из анодированного алюминия. Структура «седла» содержит матрицу сквозных отверстий с дискретом выводов BGA-микросхем. Изготавливается такое «седло» методом фотолитографии с мультипликацией «седла», группового химтравления и глубокого (до 10÷20мкм) эл.-химического анодирования с использованием комплекта ФШ для изготовления гибких плат. Толщина монтажного «седла» составляет треть или половину высоты шарикового вывода ВGА-микросхемы (0,15÷0,25мм), а диаметр отверстий в матрице превышает диаметр вывода на -0,1мм.

Посадочное «седло» перед монтажем микросхемы легко совмещается и фиксируется на монтажном поле платы с помощью термостойкого адгезива и, таким образом, обеспечивает жесткость в поле монтажа. Монтажное «седло» одновременно выполняет роль кондуктора, по которому сложная микросхема быстро устанавливается на монтажное поле платы. Поскольку анодированный (с пропиткой) алюминий наряду с изоляционными свойствами обладает хорошей теплопроводностью, то такое «седло» может служить неплохим теплоотводом для микромодулей с повышенной мощностью.

В процессе групповой пайки компонентов в варианте о двухсторонним монтажем необходимо обеспечить надежную фиксацию компонент в момент расплавления припоя. В нашей разработке эта проблема решалась с помощью вакуумной эластичной рамы и ИК нагрева. В предложенном варианте после расстановки и частичной фиксации элементов модуль помещают в вакуумируемую раму с эластичными и прозрачными стенками. При ограниченном вакуумировании рамы эластичные стенки поджимают компоненты к местам пайки с 2-х сторон и при выдержке в камере с ИК нагревом в течении 2-х÷2,5 мин. происходит процесс пайки.

Используя положительные результаты 2-х стороннего монтажа на гибкую плату, были проведены работы по сослоению 2-х гибких плат путем вакуумной пропайки по межслойным переходам. Эти работы открывают перспективы по наращиванию числа слоев гибких полиимидных плат.

Заключение

Результаты выполненной технологической разработки и анализ выработанных технических решений на всех этапах изготовления и применения в готовых изделиях гибких микропечатных плат подтверждают продуктивность применения методов микроэлектронной технологии для производства полиимидных плат из материала типа Pyralux-АРXXXX.

Многочисленными экспериментальными результатами подтверждена высокая адаптируемость безадгезивного трехслойного материала Pyralux-АР к выбранному технологическому направлению создания высокопрецизионных микропечатных плат.

Возможность применения на всех технологических этапах интегральных методов обработки приведет в перспективе к сокращению технологического цикла и снижению общей трудоемкости изготовления плат.