Разработка отладочной платы устройства для отладки микроконтроллеров

курсовая работа

3.1 Технология изготовления печатной платы

Толщина печатной платы составляет 1 мм. Для ее изготовления выбран фольгированный стеклотекстолит марки СФ-35-1,5.

Метод изготовления печатной платы включает в себя следующие операции:

- получение заготовки с припуском 10 мм по периметру;

- подготовка поверхности (механическая зачистка, промывка, обезжиривание);

- сверление монтажных отверстий на станке с числовым программным управлением (ЧПУ);

- металлизация отверстий, включающая в себя химическое и гальваническое меднение;

- нанесение сухого фоторезиста с помощью ламинаторов;

- фотолитография (используется позитивный фотошаблон с высокой точностью изготовления);

- засвечивание рисунка (задублевание фоторезиста в пробельных местах под действием ультрафиолетового света);

- удаление незадубленного фоторезиста с пробельных мест;

- стравливание меди с пробельных мест (опускание платы в хлорное железо);

- оплавление оловом для улучшения пайки;

- нанесение маски (покрытие готовой платы лаком через трафарет);

- упаковка платы в полиэтиленовый пакет.

Достоинства такого метода изготовления платы:

- высокая плотность монтажа;

- 100% металлизация отверстий;

- автоматизация процесса.

Также имеется один недостаток: требуется новое оборудование для получения высокой точности в фотолитографии.

1 Получение заготовок

Фольгированные диэлектрики выпускаются размерами (1000...1200) мм, поэтому первой операцией практически любого технологического процесса является резка заготовок. Для резки фольгированных диэлектриков используют роликовые одноножевые, многоножевые и гильотинные прецизионные ножницы. На одноножевых роликовых ножницах можно получить заготовки размером от 50x50 до 500x900 мм при толщине материала (0,025...3) мм. Скорость нарезания плавно регулируется в пределах (2... 13,5) м/мин. Точность нарезания - 1 мм. Для удаления пыли, образующейся при нарезании заготовки, ножницы оборудованы пылесосом. Из листов фольгированного диэлектрика одноножевыми роликовыми ножницами нарезаются заготовки с припуском на технологическое поле по 10 мм с каждой стороны. Далее с торцов заготовки напильником снимаются заусенцы во избежание повреждения рук во время технологического процесса. Качество снятия заусенцев определяется визуально.

Резка заготовок не должна вызывать расслаивания диэлектрического основания, образования трещин, сколов, а также царапин на поверхности заготовок.

2 Пробивка базовых отверстий

Базовые отверстия необходимы. для фиксации плат во время технологического процесса. Сверление отверстий является разновидностью механической обработки. Это одна из самых трудоемких и важных операций. При сверлении важнейшими характеристиками являются: конструкция сверлильного станка, геометрия сверла, скорость нарезания и скорость осевой подачи. Для правильной фиксации сверла используются специальные высокоточные кондукторы и мощные пылесосы для моментального удаления стружки из зоны сверления. Так как стеклотекстолит является высоко абразивным материалом, применяются твердосплавные сверла. Применение сверл из твердого сплава позволяет повысить производительность труда при сверлении и улучшить чистоту обработки отверстий. В большинстве случаев заготовки сверлят в пакете (высота пакета до 6 мм). Заготовки собираются в кондукторе, закрепляются на сверлильном станке и просверливаются базовые отверстия.

3 Подготовка поверхности заготовок

Качество подготовки поверхности имеет большое значение как при нанесении фоторезиста, так и при осаждении металла.

Широко используют химические и механические способы подготовки поверхности или их сочетания. Консервирующие покрытия легко снимаются органическим растворителем, с последующей промывкой в воде и сушкой. Окисные пленки, пылевые и органические загрязнения удаляются последовательной промывкой в органических растворителях (ксилоле, бензоле, хладоне) и водных растворах фосфатов и соды. Удаление оксидного слоя толщиной не менее 0,5 мкм производят механической очисткой щетками или абразивными валиками. Недостаток этого способа -быстрое зажиривание очищающих валиков, а затем, и очищающей поверхности. Часто для удаления оксидной пленки применяют гидроабразивную обработку Высокое качество зачистки получают при обработке распыленной абразивной пульпой. Гидроабразивная обработка удаляет с фольги заусенцы, образующиеся после сверления, и очищает внутренние медные торцы контактных площадок в отверстиях многосторонних печатных плат от эпоксидной смолы.

Высокое качество очистки получают при гидроабразивной обработке с использованием водной суспензии. На этом принципе работают установки для зачистки боковых поверхностей заготовок и отверстий печатных плат нейлоновыми щетками и пемзовой суспензией. Обработка поверхности производится вращающимися латунными щетками в струе технологического раствора. Установка может обрабатывать заготовки максимальным размером 500x500 мм при их толщине (0,1...3) мм, частота вращения щеток 1200 об/мин, усилие поджатия плат к щеткам 147 Н. Химическое удаление оксидной пленки (декапирование) наиболее эффективно осуществляется в 10%-ном растворе соляной кислоты. К качеству очистки фольгированной поверхности предъявляют высокие требования, так как от этого, зависят адгезия фоторезиста и качество рисунка схемы.

4 Сверление отверстий

Наиболее трудоемкий и сложный процесс в механической обработке печатных плат - получение отверстий под металлизацию. Их выполняют, главным образом, сверлением, так как сделать отверстия штамповкой в приемлемых для производства платах стеклопластика трудно. Для сверления стеклопластиков используют твердосплавный инструмент специальной конструкции. Применение инструмента из твердого сплава позволяет значительно повысить производительность труда при сверлении и зенковании и улучшить чистоту обработки отверстий. Чаще всего сверла изготавливают из твердоуглеродистых сталей марок У-7, У-10 и У-18. В основном используют две формы сверла: сложнопрофильные и цилиндрические. Так как стеклотекстолит является высокоабразивным материалом, то стойкость сверл невелика. Так, например, стойкость тонких сверл - около 10 000 сверлений.

При выборе сверлильного оборудования необходимо учитывать такие особенности, как точность расположения отверстий, необходимость обеспечения абсолютно гладких и перпендикулярных отверстий поверхности платы, обработка плат без заусенцев и так далее. Точность и качество сверления зависят от конструкции станка и сверла. В настоящее время используют несколько типов станков для сверления печатных плат.

Перед сверлением отверстий необходимо подготовить заготовки и оборудование к работе. После сверления необходимо удалить стружку и пыль с платы и продуть отверстия сжатым воздухом. После этого следует проверить количество отверстий и их диаметры, проверить качество сверления. При сверлении не должно образовываться сколов, трещин. Стружку и пыль следует удалять сжатым воздухом.

5 Металлизация отверстий

Она включает химическое и гальваническое меднение. Химическое меднение является первым этапом металлизации отверстий. При этом возможно получение плавного перехода от диэлектрического основания к металлическому покрытию, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. Процесс химического меднения основан на восстановлении ионов двухвалентной меди из ее комплексных солей. Толщина слоя химически осажденной меди (0,2...0,3) мкм. Химическое меднение можно проводить только после специальной подготовки - каталитической активации, которая может проводиться одноступенчатым и двухступенчатым способами. При двухступенчатой активации печатную плату сначала обезжиривают, затем декапируют торцы контактных площадок. Далее следует первый шаг активации - сенсибилизация, для чего платы опускают на (2...3) мин в солянокислый раствор дихлорида олова. Второй шаг активации - палладирование, для чего платы помещают на (2...3) мин в солянокислый раствор дихлорида палладия. Адсорбированные атомы палладия являются высокоактивным катализатором для любой химической реакции. При одноступенчатой активации предварительная обработка (обезжиривание и декапирование) остается той же, а активация происходит в коллоидном растворе, который содержит концентрированную серную кислоту и катионы палладия при комнатной температуре. Слой химически осажденной меди обычно имеет небольшую толщину (0,2...0,3) мкм, рыхлую структуру, легко окисляется на воздухе, непригоден для токопрохождения, поэтому его защищают гальваническим наращиванием (затяжкой)(1...2) мкм гальванической меди. После гальванической затяжки слой осажденной меди имеет толщину (1...2) мкм. Электролитическое меднение доводит толщину в отверстия до 25 мкм, на проводниках - до (40...50) мкм. Чтобы при травлении проводники и контактные площадки не стравливались их необходимо покрыть защитным металлическим покрытием. Существуют различные металлические покрытия (в основном сплавы), применяемые для защитного покрытия. В данном технологическом процессе применяется сплав олово-свинец. Сплав олово-свинец стоек к воздействию травильных растворов на основе персульфата аммония, хромового ангидрида и других, но разрушается в растворе хлорного железа, поэтому в качестве травителя раствор хлорного железа применять нельзя.

6 Нанесение сухого пленочного фоторезиста

От фоторезиста очень часто требуется высокое разрешение, а это достигается только на однородных, без проколов пленках фоторезистов, имеющих хорошее сцепление с фольгой. Необходимо свести до минимума содержание влаги на платах или фоторезисте, так как она может стать причиной проколов или плохой адгезии. Все операции с фоторезистом нужно проводить в помещении при относительной влажности не более 50%. Для удаления влаги с поверхностей плат применяют сушку в термошкафах. В зависимости от применяемого фоторезиста существуют несколько методов нанесения фоторезиста на поверхность фольгированного диэлектрика. Жидкий фоторезист наносится методом окунания, полива, разбрызгивания, электростатического распыления с последующей сушкой при температуре 400°С в центрифуге до полного высыхания. Такая сушка обеспечивает равномерность толщины слоя. Сухие пленочные фоторезисты (СПФ) наносятся ламинированием. СПФ состоит из слоя полимерного фоторезиста, помещенного между двумя защитными пленками. Для обеспечения возможности нанесения сухопленочных фоторезистов на автоматическом оборудовании пленки поставляются в рулонах. На поверхность заготовки СПФ наносится в установках ламинирования. Адгезия СПФ к металлической поверхности заготовок обеспечивается разогревом пленки фоторезистана плите до размягчения с последующим прижатием при протягивании заготовки между валиками. Установка снабжена термопарой и прибором контроля температуры нагрева пленки фоторезиста. На установке можно наносить СПФ на заготовки шириной до 600 мм со скоростью их прохождения между валиками (1...3) м/мин. Фоторезист нагревается до температуры (110...1200)°С. В процессе нанесения одну защитную пленку с фоторезиста удаляют, в то время как другая остается и защищает фоторезист с наружной стороны. В данном технологическом процессе применяется сухой пленочный фоторезист СПФ-2, наносимый на ламинаторе КП 63.46.4.

7 Фотолитография

В любом фотолитографическом методе - контактном, проекционном, и в методе сканирующего луча - необходимым отправным пунктом является некоторый шаблон, образец, содержащий информацию о размерах, расположениях, конфигурации и т.д. получаемых изображений. При наличии современных фоторезистов и отработанной технологии качество фотолитографии во многом определяется качеством фотошаблонов, а производство их является в настоящее время одним из наиболее сложных процессов, связанных с фотолитографией.

Далее производят задубливание фоторезиста в пробельных местах под действием ультрафиолетового света и удаление незадубленного фоторезиста. При использовании негативного фотошаблона незащищенными, пригодными для металлизации остаются те участки плат, которые в последующем формируют рисунок печатного монтажа.

8 Гальваническое лужение

Лужение печатных плат перед монтажом улучшает паяемость, значительно облегчает и ускоряет монтаж, уменьшает опасность перегрева элементов при монтаже. Лудить можно в алюминиевой посуде (плата должна умещаться на дне плашмя). В посуду наливают глицерин (толщина слоя около 1 см) и разогревают его примерно до 60°С. Затем в глицерин кладут куски сплава Розе и продолжают подогрев до его расплавления. Не следует разогревать расплав выше 100°С. Платы декапируют в 20%-ном растворе соляной кислоты, промывают водой и опускают в расплав на (1...3) с. Вынутые платы быстро протирают поролоновой губкой, удаляя с поверхности излишки сплава. Остатки глицерина смывают теплой водой. Чтобы уменьшить опасность отслаивания проводников во время пайки деталей, платы, за исключением контактных площадок, после лужения покрывают слоем клея БФ-2. Удаление задубленного фоторезиста с пробельных мест. Перед операцией травления фоторезист с поверхностей плат необходимо снять.

9 Стравливание меди с пробельных мест

Травление предназначено для удаления незащищенных участков фольги с поверхностей плат с целью формирования рисунка схемы. Существуют несколько видов травления:

- травление погружением;

- травление с барботажем;

- травление разбрызгиванием;

- травление распылением.

Существует также несколько видов растворов для травления:

- раствор хлорного железа;

- раствор персульфата аммония;

- раствор хромового ангидрида.

Чаще всего применяют раствор хлорного железа. Скорость травления зависит от концентрации раствора. Наилучшие результаты травления получаются при плотности раствора 1,3 г/см3. Процесс травления зависит также и от температуры травления. При температуре выше 250°С процесс ускоряется, но портится защитная пленка. При комнатной температуре медная фольга растворяется за 30 с до 1 мкм.

10 Оплавление оловом для улучшения пайки

Оплавление печатных плат производится с целью покрытия проводников и металлизированных отверстий оловянно-свинцовым припоем. Наиболее часто применяют конвейерную установку инфракрасного оплавления ПР-3796. Проводники должны иметь блестящую гладкую поверхность. Допускается на поверхности проводников наличие следов кристаллизации припоя и частично непокрытые торцы проводников. Не допускается отслаивание проводников от диэлектрической основы и заполнение припоем отверстий диаметром большим 0,8 мм. Не допускается наличие белого налета от плохо отмытого флюса на проводниках и в отверстиях печатных плат.

Готовые платы покрывают через трафарет лаком и упаковывают в полиэтиленовые пакеты. Существуют различные лаки для защитного покрытия, такие как лак СБ-1с на основе фенолформальдегидной смолы, лак Э-4100 на основе эпоксидной смолы, лак УР-231 и другие.

Делись добром ;)