Jaké jsou klíčové kroky při výrobě vícevrstvých desek plošných spojů?

Výroba vícevrstvých desek plošných spojů je vedoucí technologií, která podporuje vývoj pokročilé elektroniky, umožňující integraci kompaktních a vysokovýkonných zařízení s širokým uplatněním v průmyslu spotřební elektroniky, leteckém a kosmickém průmyslu a v oblasti lékařských přístrojů. Zatímco jednovrstvé nebo dvouvrstvé desky plošných spojů obsahují pouze jednu nebo dvě měděné vrstvy, vícevrstvé desky plošných spojů mají tři a více měděných vrstev navrštěných a oddělených izolačními materiály, což umožňuje složitější trasování obvodů, vyšší hustotu součástek a lepší elektrický výkon. Pochopení hlavních kroků při výrobě vícevrstvých desek plošných spojů pomůže návrhářům, inženýrům a nakupujícím lépe porozumět kvalitě, spolehlivosti a výrobním možnostem.

Revize návrhu a inženýrská příprava

Kromě fyzické výroby je výroba vícevrstvých desek plošných spojů v podstatě produktem návrhové fáze. Jakmile jsou přijaty soubory Gerber, podrobnosti o vrstvách a technické požadavky, inženýři velmi podrobně prozkoumají návrh. Přezkoumávají návrh z hlediska šířky stop, vzdáleností, požadavků na impedance, zarovnání vrstev, struktury přechodových děr a výběru materiálu.

Simulace a analýza návrhu z hlediska výrobních možností (DFM) jsou povinné pro velmi komplikované desky.

Výrobci jako King Field mohou pomoci vyhnout se nákladným revizím a zajistit hladký průběh výrobního procesu tím, že poskytnou výsledky DFM, při kterých jsou již v rané fázi identifikovány potenciální problémy, jako jsou problémy s integritou signálu a obtíže při vrtání.

Zobrazování a leptání vnitřních vrstev

Každá vnitřní měděná vrstva je vyrobena samostatně. Nejprve je povrch měděného laminátu očištěn a poté je na něj nanášen fotorezist. Velmi přesně se potom pomocí ultrafialových paprsků do fotorezistu vyrýše vzor obvodu ve výrobním procesu zvaném fotoexpozice.

Vyvolání odstraní rezist vystavený světlu a měď, která není rezistem krytá, je chemicky vylouhována oxidačním činidlem. V tomto okamžiku se používá automatická optická kontrola (AOI) za účelem ověření, zda jsou šířky tratí a vzdálenosti mezi nimi v souladu s požadavky a zda je vzor neporušený. Protože chyby zjištěné po laminaci již nelze opravit, je nezbytné zajistit, aby vnitřní vrstvy byly kvalitní.

Oxidace vnitřní vrstvy

Před laminací jsou vnitřní vrstvy upraveny oxidem nebo jinými povrchy, které usnadňují spojení. Povrch mědi je během této úpravy atomárně drsněn, což má podle představ zlepšit adhezi měděných vrstev k izolaci z prepgu při laminaci. Adheze mezi vrstvami je velmi důležitým faktorem mechanické stability a dlouhodobé spolehlivosti vícevrstvých desek plošných spojů. To platí zejména pro vícevrstvé zařízení, která budou pracovat v prostředích s vysokými teplotami nebo vibracemi.

Skládání vrstev a laminace

Laminace je bezpochyby jednou z nejcharakterističtějších fází procesu výroby vícevrstvých desek plošných spojů. Vnitřní vrstvy jsou složeny s vrstvami prepgu (sklolaminátu impregnovaného epoxidovou pryskyřicí) mezi nimi a vnější měděné fólie jsou přidány shora a zdola podle schváleného návrhu skládání vrstev.

Poté je sada vložena do laminovacího lisu, kde je vystavena kontrolovanému cyklu tepla a tlaku. Předimpregnovaná pryskyřice roztaje, rozteče se a poté ztuhne, čímž vznikne pevné spojení všech vrstev v jednu monolitickou desku. Pro zajištění přesného zarovnání vrstev a pro vyhnutí se typickým vadám, jako jsou dutiny nebo odlepení vrstev, je nezbytná přesná kontrola teploty, tlaku a času.

Vrtání a tvorba přechodových kontaktů

Po laminaci se u vícevrstvé desky plošných spojů provádí vrtání za účelem vytvoření otvorů pro součástky s osazením do otvorů i pro přechodové kontakty (vias), které elektricky propojí jednotlivé vrstvy. Mechanické otvory jsou vytvářeny frézkou s počítačovým řízením (CNC), zatímco u mikropřechodových kontaktů ve vzájemném spojení s vysokou hustotou (HDI) lze použít laserové vrtání.

Po vrtání se stěny otvorů očistí a aktivují, aby bylo možné otvory metalizovat. Je zcela zřejmé, že vrtání musí být velmi přesné, jinak nesrovnání povede ke zhoršení elektrického spojení mezi vrstvami.

Metalizace a mědění otvorů

Pro vytvoření vodivých přechodových kontaktů (vias) se nejprve nanese tenká vrstva mědi na stěny otvorů bezproudým procesem mědění. Poté následuje elektrolytické mědění, které zvýší tloušťku mědi tak, aby byla elektricky i mechanicky spolehlivá.

Zobrazování a leptání vnějších vrstev

Obvod poslední vrstvy je vytvořen zobrazením fotorezistu na vnější vrstvy stejně jako u vnitřních vrstev. Po procesech fotolitografie a vyvolání bude přebytečná měď odstraněna leptáním, čímž zůstanou dokončené obvody na vnějších vrstvách.

V tomto kroku se určuje geometrie pájecích plôšek, vedení spojů a připojovací body součástek, což nakonec ovlivňuje jak výtěžnost montáže, tak elektrický výkon.

Aplikace lakové masky

Soustružnická maska je vrstva lakupodobného polymeru, která se nanáší na desku plošných spojů za účelem ochrany měděných spojů před nežádoucím oxidováním a znečištěním, stejně jako pro snížení rizika vzniku můstků mezi sousedními pájecími ploškami. Otvory pro plošky a vývody určené k pájení jsou proto definovány pouze ve vrstvě soustružnické masky.

Přesnost zarovnání soustružnické masky je velmi důležitá zejména při výrobě vícevrstvých desek plošných spojů, obzvláště pokud jsou použity součástky s jemným roztečením. Výrobci jako King Field proto nasazují moderní vybavení pro zobrazování a tvrzení, které zajišťuje rovnoměrné pokrytí a dlouhodobý výkon.

Dokončení povrchu

Zapajitelnost je jednou z výhod povrchové úpravy vedle ochrany odkrytých měděných plošek. Mezi nejběžnější možnosti povrchových úprav patří HASL, ENIG, OSP, imerzní stříbro a imerzní cín. Výběr nejvhodnější z nich závisí na faktorech, jako je skladovatelnost, způsob montáže a elektrický výkon.

Kvůli své rovné ploše a vynikající odolnosti proti korozi se u aplikací vyžadujících vysokou spolehlivost často preferuje ENIG.

Elektrické testování a finální kontrola

Testování a kontrola jsou posledními kroky při výrobě vícevrstvých desek plošných spojů. Za účelem zajištění, že ve žádné vrstvě velmi komplexní vícevrstvé struktury neexistují zkraty ani přerušení, se provádí elektrické testování za účelem kontroly podmínek spojitosti a izolace. Kromě toho se mohou použít vizuální prohlídky, měření (kontrola rozměrů) a někdy i rentgen ke ověření správného vnitřního zarovnání a kvality přechodových děr.

Ke zabalení a expedici jsou povoleny pouze desky, které splňují všechny požadované specifikace.

Závěr

Výroba vícevrstvých desek plošných spojů je nesmírně náročná, vyžaduje vysokou přesnost, bohaté zkušenosti a vypracování přísných opatření kontroly kvality, která musí být dodržována v každém kroku. Je tedy logické, že výkon a spolehlivost výrobku závisí na správném provedení všech těchto kroků a také na testech, zejména na těch konečných.

Společnost King Field se podařilo nabídnout vícevrstvé desky plošných spojů, které umožňují různým odvětvím vyrábět moderní elektronické produkty díky použití sofistikovaného vybavení ve spojení s dobře organizovaným řízením procesů. Pochopení těchto vrstev dále osvětluje složitosti fungování moderní elektroniky a pomáhá zákazníkům učinit správné rozhodnutí při výběru spolehlivého partnera pro výrobu desek plošných spojů.