Прецизионный гибкий шлейф и способ высокоплотного монтажа электронных приборов с помощью таких шлейфов
Владельцы патента RU 2312474:
Блинов Геннадий Андреевич (RU)
Грушевский Александр Михайлович (RU)
Семенин Сергей Николаевич (RU)
Изобретение направлено на создание гибких многослойных печатных плат (шлейфов) для монтажа микроэлектронной аппаратуры. Технический результат - изготовление гибкой печатной платы, у которой зазор между соседними проводниками не превышает 20 мкм, что позволяет обеспечить плотность размещения компонент и контактных площадок для их монтажа, приближающуюся к плотности расположения выводов современных СБИС. Достигается тем, что в качестве материала подложки используют полиимидные, полиэфирные и фторопластовые пленки. Подложки из полиимидной пленки позволяют достичь высокой термостабильности шлейфов и допускают использование разных методов монтажа, в том числе сварки и пайки, а фторопластовые пленки наиболее пригодны для использования шлейфов на их основе для монтажа СВЧ-схем, так как обладают небольшими потерями в СВЧ-диапазоне частот и позволяют добиться постоянного волнового сопротивления шлейфов, соединяющих СВЧ-модули и приборы. Конструкция и размещение контактных площадок, предназначенных для монтажа электронных компонент или подключения шлейфа к другим приборам или печатным платам, а также используемые при их формировании материалы и покрытия, также должны позволить осуществлять высокоплотное межячеечное соединение в электронной аппаратуре. Для этого контактные площадки размещают на другой стороне гибкой подложки и соединяют с рабочими проводниками через сквозные металлизированные отверстия в подложке. Наружные стороны контактных площадок облуживают, например покрывают слоем сплава олово-висмут, на прилегающую к подложке поверхность контактных площадок наносят слой материала, предотвращающего растекание припоя, например хрома, а соединение контактных площадок шлейфа с выводами электронных приборов осуществляют сваркой-пайкой с помощью сдвоенного электрода инструмента для микромотажа, подводимого к другой поверхности контактной площадки через находящееся над ней сквозное отверстие в пленке. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области создания гибких многослойных печатных плат (шлейфов) для монтажа микроэлектронной аппаратуры.
Решаемая техническая задача заключается в изготовлении гибкой печатной платы, у которой зазор между соседними проводниками не превышает 20 мкм, что позволяет обеспечить плотность размещения компонент и контактных площадок для их монтажа, приближающуюся к плотности расположения выводов современных СБИС.
1. Известны технические решения, например способ изготовления многослойных печатных плат (патент РФ №95108852), в соответствии с которым используют две подложки: фольгированную и гибкую фольгированную полиимидную. На их поверхностях формируют рисунок проводников и контактных площадок. В полиимидной подложке протравливают сквозные отверстия под межсоединения, заполняют их припоем, посредством которого осуществляют соединение обеих подложек. Способ достаточно прост, не требует высококвалифицированного персонала, но не позволяет получить плотный монтаж, так как использование пайки не исключает растекание припоя и не позволяет получить зазора между проводниками меньше 150 мкм.
2. Наиболее близким аналогом предлагаемой конструкции шлейфа может служить описанная в патенте WO 2004/066694 конструкция и способ изготовления печатной платы. Способ обеспечивает изготовление печатной платы, имеющей гибкую пленочную подложку с прецизионным рисунком проводников, и предусматривает соединение с подложкой платы со стороны ее проводников при помощи промежуточного органического слоя упрочняющего листового материала, которому затем может быть придана нужная форма таким образом, чтобы упрочняющий материал оставался только на свободных от точек монтажа участках платы. Недостатком такой конструкции платы и способа ее изготовления является большое количество операций, относительно невысокая надежность и плохая ремонтопригодность, так как при повторном монтаже электронных компонент участки упрочняющего материала легко могут быть повреждены.
Для увеличения надежности, повышения плотности упаковки, увеличения производительности при изготовление электронных приборов предлагается использовать гибкие шлейфы на основе подложки из полиимидной пленки и системы проводников с контактными площадками, расположенных на подложке.
К техническим требованиям на соединительные шлейфы для монтажа можно отнести следующее:
- минимальный шаг между проводниками и контактными площадками;
- обеспечение минимальной задержки сигналов за счет сокращения длины соединительных проводников;
- обеспечение идентичности и стабильности паразитных емкостей, индуктивностей и волнового сопротивления системы проводников за счет повышения точности выдерживания размеров и расположения системы проводников и контактных площадок при изготовлении;
- обеспечение надежности и долговечности соединений, формируемых одним из известных методов пайки, сварки или других;
- устойчивость к многократным перегибам;
- возможность применения автоматизированных методов проектирования и изготовления;
- исключение возможности появления закороток за счет исключения растекания припоя при монтаже электронных приборов с помощью шлейфов;
- высокая ремонтопригодность, легкий доступ к отдельным выводам при проведении регулировки и контроля;
- стабильность линейных размеров при производстве и эксплуатации, высокая механическая прочность, устойчивость к разрыву в широком диапазоне температур.
Поставленная техническая задача решается тем, что в качестве материала подложки используют полиимидные, полиэфирные и фторопластовые пленки.
Подложки из полиимидной пленки позволяют достичь высокой термостабильности шлейфов и допускают использование разных методов монтажа, в том числе сварки и пайки, а фторопластовые пленки наиболее пригодны для использования шлейфов на их основе для монтажа СВЧ-схем, так как обладают небольшими потерями в СВЧ-диапазоне частот и позволяют добиться постоянного волнового сопротивления шлейфов, соединяющих СВЧ-модули и приборы.
Конструкция и размещение контактных площадок, предназначенных для монтажа электронных компонент или подключения шлейфа к другим приборам или печатным платам, а также используемые при их формировании материалы и покрытия, также должны позволить осуществлять высокоплотное межячеечное соединение в электронной аппаратуре.
Для этого контактные площадки размещают на другой стороне гибкой подложки и соединяют с рабочими проводниками через сквозные металлизированные отверстия в подложке. Наружные стороны контактных площадок облуживают, например покрывают слоем сплава олово-висмут, на прилегающую к подложке поверхность контактных площадок наносят слой материала, предотвращающего растекание припоя, например хрома, а соединение контактных площадок шлейфа с выводами электронных приборов осуществляют сваркой-пайкой с помощью сдвоенного электрода инструмента для микромотажа, подводимого к другой поверхности контактной площадки через находящееся над ней сквозное отверстие в пленке.
Пример 1.
Для проверки применимости различных полимерных материалов для подложек гибких шлейфов были изготовлены и исследованы опытные образцы таких изделий. Результаты испытаний приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||
| Параметры пленок | Материал пленок | ||
| Полиэтилентерефталат | Фторопласт | Полиимид | |
| Прочность на растяжение, Н/м2 | 160 | 200 | 1750 |
| Удлинение при разрыве, % | 100 | 175 | 70 |
| Модуль упругости | 3,5×104 | 3,l×l04 | 3×104 |
| Рабочая температура | 373 К | 500 К | 673 К |
| Температура плавления | 533 К | 553 К | Деструкция выше 673 К |
| Относительная диэлектрическая проницаемость | 3,5 | 2,1 | 3,2 |
| Тангенс угла диэлектрических потерь (на частоте 1 кГц) | 3×10-2 | 1×l0-3 | 3×10-3 |
| Электрическая прочность | 295×106 В/м | 150×106 B/м | 276×106 В/м |
Как видно из таблицы, наиболее прочным и термостойким материалом является полиимид, поэтому он в наибольшей степени подходит для изготовления шлейфов для низкочастотной аппаратуры. Для работы на высоких частотах лучше использовать фторопласт, так как он имеет меньшее значение диэлектрической проницаемости и значительно меньшие потери.
Пример 2.
Для выбора методов и режимов монтажа аппаратуры с помощью гибких шлейфов были изготовлены, смонтированы и испытаны образцы при различных методах контактирования. Результаты испытаний приведены в таблице 2
| Таблица 2 | |||
| Способ контактирования | Прочность соединения | Количество случаев уменьшения зазора между выводами (закороток) | |
| Усилие отрыва, Н | Метод испытаний | ||
| Исходное состояние контактных площадок шлейфа | 0,89 | Сдвиг | нет |
| Односторонняя | 0,25 | Отрыв | нет |
| контактная сварка сдвоенным электродом | 0,92 | Сдвиг | |
| Сварка косвенным | 0,25 | Отрыв | 5% |
| импульсным нагревом | 0,95 | Сдвиг | |
| Микропаяльник | 0,27 | Отрыв | 10% |
| 0,96 | Сдвиг | ||
| Примечание: 1. Шаг проводников на подложке был равен 150 мкм. На поверхность контактных площадок, прилегающую к подложке, термическим испарением наносился тонкий слой хрома ЭРХ (ТУ 14-5-76-76). | |||
| 2. Прочность на отрыв определялась под углом 90о к поверхности подложки. | |||
| 3. Прочность на сдвиг определялась под углом 45о к поверхности подложки. |
Проведенные исследования и испытания показали, что бесфлюсовая импульсная пайка-сварка дает лучшие результаты и исключает появление закороток по сравнению со сваркой косвенным импульсным нагревом и монтажом при помощи микропаяльника, обеспечивая тем самым более плотный монтаж.
Областью применения конструкции шлейфа и способа монтажа при помощи таких шлейфов является изготовление печатных плат на гибкой подложке, гибридных интегральных схем, электронных модулей для информационных и СВЧ-систем, медицинской техники (слуховые аппараты, сердечные стимуляторы) и другой аппаратуры, где требуется высокая плотность монтажа и надежность.
1. Прецизионный гибкий шлейф, содержащий гибкую подложку, например, из полиимидной пленки, систему сформированных на подложке проводников и связанные контактными площадками, отличающийся тем, что контактные площадки размещены на другой относительно проводников поверхности подложки и соединяются с проводниками через металлизированные отверстия в пленке, а над контактными площадками предусмотрены сквозные отверстия в подложке, размеры которых меньше размеров контактных площадок, но достаточны для прохода наконечника инструмента для микромонтажа.
2. Способ монтажа электронных приборов с помощью прецизионных гибких шлейфов, содержащих гибкую подложку, например, из полиимидной пленки, систему сформированных на подложке проводников с размещенными на другой стороне подложки контактными площадками, связанными с проводниками через металлизированные отверстия в пленке, отличающийся тем, что наружные стороны контактных площадок шлейфа облуживают, например, покрывают слоем сплава олово-висмут, на прилегающую к подложке поверхность контактных площадок наносят слой материала, предотвращающего растекание припоя, например хрома, и соединяют контактные площадки шлейфа с выводами электронных приборов сваркой-пайкой с помощью сдвоенного электрода инструмента для микромонтажа, подводимого к другой поверхности контактной площадки через находящееся над ней сквозное отверстие в пленке.
