Способ изготовления печатных плат с встроенными резисторами

Изобретение относится к технологии изготовления печатных плат и может быть использовано в электротехнической, радиотехнической, электронной промышленности и приборостроении при изготовлении двусторонних печатных плат. Технический результат - увеличение мощности теплового рассеяния встроенных в печатные платы резисторов, а также улучшение отвода тепла от элементов, монтируемых на печатной плате. Достигается это тем, что при изготовлении печатных плат в качестве изоляционного слоя используют нитрид алюминия, встроенные резисторы размещают в отверстиях с нанесенным изоляционным слоем нитрида алюминия на стенках отверстий, а токопроводящий слой осаждают также на торцы встроенных резисторов. Формирование проводящего рисунка схемы осуществляют путем нанесения фотомаски, гальванического усиления толщины проводящего слоя, осаждения защитного металлорезиста, удаления фотомаски и травления проводящего слоя с пробельных мест, либо сначала усиливают гальванически токопроводящий слой, наносят фотомаску на контактные площадки, проводники и места расположения торцов встроенных резисторов, вытравливают токопроводящий слой с пробельных мест, удаляют фотомаску, наносят защитную паяльную маску и облуживают контактные площадки и стенки монтажных отверстий. Изготовленные печатные платы с встроенными резисторами проверены на соответствие требованиям ГОСТ 23752-79 «Платы печатные. Общие технические условия» и проконтролированы на стабильность сохранения значений сопротивлений в течение продолжительной эксплуатации при условии 10-кратной перегрузки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к технологии изготовления печатных плат и может быть использовано в электротехнической, радиотехнической, электронной промышленности и приборостроении при изготовлении двусторонних печатных плат.

Известен способ изготовления печатной платы с теплоотводом, при котором на основание печатной платы, выполненное из алюминиевой пластины, осаждают на вакуумных распылительных установках изоляционный слой из системы Al-O-N и токопроводящий слой, наносят фотомаску, гальванически усиливают толщину токопроводящего слоя, удаляют фотомаску и дифференциальным травлением формируют проводящий рисунок [1].

Недостатками описанного способа являются: отсутствие сведений о возможности получения печатных плат с металлизированными отверстиями и возможности получения встроенных резисторов.

Известен также способ изготовления печатных плат с встроенными резисторами, при котором в печатных платах, выполненных из материала FR4-ML, формируют отверстия, которые заполняют резистивной пастой, причем резистивная паста образует контакт с электрическими слоями печатной платы [2].

Недостаток способа в плохой теплопроводности FR4-ML и перегреве резисторов, находящихся в замкнутом объеме.

Таким образом, на основании двух источников [1, 2] можно говорить о возможности изготовления печатных плат с встроенными резисторами на основе использования в качестве основания печатной платы металлической пластины с последующим покрытием поверхности платы и стенок отверстия изоляционным слоем, нанесении токопроводящего слоя на поверхность платы и стенки монтажных отверстий и формировании проводящего рисунка схемы.

В основу изобретения положена задача создания способа изготовления печатных плат со встроенными резисторами, который позволил бы увеличить мощность теплового рассеяния встроенных в печатные платы резисторов, а также улучшить отвод тепла от элементов, монтируемых на печатной плате.

Поставленная задача решается тем, что в качестве изоляционного слоя используют нитрид алюминия, встроенные резисторы размещают в отверстиях с нанесенным изоляционным слоем нитрида алюминия на стенках отверстий, а токопроводящий слой осаждают также на торцы встроенных резисторов.

Формирование проводящего рисунка схемы осуществляют путем нанесения фотомаски, гальванического усиления толщины проводящего слоя, осаждения защитного металлорезиста, удаления фотомаски и травления проводящего слоя с пробельных мест, либо сначала усиливают гальванически токопроводящий слой, наносят фотомаску на контактные площадки, проводники и места расположения торцов встроенных резисторов, вытравливают токопроводящий слой с пробельных мест, удаляют фотомаску, наносят защитную паяльную маску и облуживают контактные площадки и стенки монтажных отверстий.

На чертеже показана схема изготовления двусторонних печатных плат по предлагаемому способу, которая имеет два варианта формирования проводящего рисунка схемы. Тонкими линиями изображено то, что совпадает с прототипом или аналогом, а толстыми линиями - отличающиеся операции и сечения.

Процесс изготовления двусторонних печатных плат по предлагаемому способу включает следующие операции: получение заготовки 1, сверление монтажных отверстий и отверстий под встроенные резисторы 2, нанесение слоя нитрида алюминия 3, заполнение отверстий резистивной пастой для формирования встроенных резисторов 4, нанесение на поверхность штаты, торцы встроенных резисторов и стенки монтажных отверстий токопроводящего слоя 5, нанесение защитного рисунка 6, гальваническое наращивание токопроводящего слоя 7, нанесение защитного металлорезиста травления 8, удаление защитного рисунка и токопроводящего слоя с пробельных мест 9, гальваническое наращивание токопроводящего слоя 10, нанесение защитного рисунка на токопроводящий слой 11, вытравливание токопроводящего слоя с пробельных мест и удаление защитного рисунка 12, нанесение защитной маски под пайку 13, облуживание контактных площадок 14.

Пример процесса изготовления двусторонних печатных плат со встроенными резисторами реализуется в следующей последовательности. Из листов металла с высокой теплопроводностью, например меди марки М0, на операции 1 нарезаются заготовки 15 нужного размера. В заготовках в соответствии с чертежом платы на операции 2 сверлятся монтажные отверстия 16 и отверстия под встроенные резисторы 17. Затем на операции 3 на поверхность заготовки с просверленными отверстиями осаждается слой нитрида алюминия 18 толщиной 3…5 мкм методом реактивного ВЧ-магнетронного распыления на установке вакуумного напыления УРМЗ.297.014. Слой нитрида алюминия обладает высокими диэлектрическими свойствами: удельное сопротивление R_S=10¹⁴ Ом·см [3] и высокой теплопроводностью . Это позволяет эффективно отводить тепло от резистора в металлическое основание 15.

На операции 4 отверстие 17, стенки которого покрыты слоем нитрида алюминия, заполняют резистивной пастой 19. Формируется резистор, сопротивление которого согласно [2] вычисляется по формуле

где Н - толщина металлического основания, мм;

D - диаметр отверстия, мм;

ρ - удельное сопротивление резистивной пасты, Ом·мм;

π=3,14 - константа.

Подбором толщины металлического основания Н, диаметра отверстия D и удельного сопротивления резистивной пасты ρ можно в широких пределах варьировать значение получаемого сопротивления.

При формировании резистора в отверстиях основания, выполненного из стеклотекстолита марки FR-4, как заявлено в [2], теплопередача от резистора в материал основания будет плохой, так как коэффициент теплопередачи равен . В то же время у нитрида алюминия , а у металлического основания из меди . Поэтому резисторы, размещенные в отверстиях основания из металла, могут рассеивать большую мощность, обеспечивая высокую теплонапряженность печатной платы.

Для обеспечения электрического контакта с элементами рисунка печатной платы на поверхность печатной платы, стенки монтажных отверстий 16 и торцы резистора 19 на операции 5 осаждают пленку меди 20 на установке вакуумного напыления УРМЗ.297.014 методом реактивного ВЧ-магнетронного распыления. Толщина пленки 5…8 мкм. Она усиливается за счет гальванического наращивания токопроводящего слоя 21 до толщины 25…30 мкм. С помощью фоторезиста формируется защитный рисунок 22, который защищает слой меди в процессе травления меди с пробельных мест, либо который оставляет открытыми участки для гальванического осаждения меди и наращивания защитного металлорезиста травления 23.

Удаляют защитный рисунок 22 и производят травление токопроводящего слоя 20 с тех мест, которые не защищены слоем металлорезиста 23, или сначала стравливают токопроводящие слои 20 и 21 на пробельных местах, не защищенных защитным рисунком 22. Потом наносят защитную маску под пайку 24. Контактные площадки покрывают финишным покрытием 25, обеспечивая хорошую паяемость печатной платы.

Проверка способа осуществлялась с использованием базового (типового) технологического оборудования для изготовления двусторонних печатных плат, двух установок вакуумного напыления УРМЗ.297.014, реализующих метод реактивного ВЧ-магнетронного распыления, для реализации операций 3 и 5 и установки дозированной подачи резистивной пасты для операции 4.

Для эксперимента была выбрана плата с металлическим основанием из меди толщиной 2,0 мм с монтажными отверстиями диаметром 0,8 мм и отверстиями под резисторы диаметром 0,4 мм. Класс точности печатных плат соответствовал 3-4 классу. Размер печатных плат не превышал 130Ч130 мм и ограничивался размером места расположения мишени.

После загрузки платы в установку напыления УРМЗ.297.014 производили осаждение нитрида алюминия на всю поверхность платы и стенки отверстия толщиной 3…5 мкм. Толщину измеряли в процессе напыления частотным методом.

Заполнение отверстий резистивной пастой производили на установке «ТРАССА-4304». Требуемый диапазон величин сопротивлений резисторов обеспечивался необходимым диаметром отверстия и величиной удельного сопротивления резистивной пасты. Так при диаметре отверстия 0,4 мм и удельном сопротивлении резистивной пасты 25 Ом·мм величина сопротивления резистора будет составлять

Нанесение токопроводящего медного слоя 20 производили на установке вакуумного напыления УРМЗ.297.014. Толщина слоя 5…8 мкм. Контроль осуществлялся в процессе напыления частотным методом.

Далее платы обрабатывались по всему циклу.

Изготовленные печатные платы с встроенными резисторами проверены на соответствие требованиям ГОСТ 23752-79 «Платы печатные. Общие технические условия» и проконтролированы на стабильность сохранения значений сопротивлений в течение продолжительной эксплуатации при условии 10-кратной перегрузки. Проведенные испытания изготовленных печатных плат подтвердили их высокое качество при сохранении требуемых конструктивно-технологических характеристик.

Использование изобретения дает следующий эффект по сравнению с прототипом: увеличение мощности рассеивания резистора на плате по предложенному техническому решению в 10 раз по сравнению с вариантом размещения резистора в отверстии платы, изготовленной из FR-4, с аналогичными параметрами.

Источники информации

1. Способ изготовления печатной платы с теплоотводом. Verfahren zum Herstellen einer wärmeableitenden Leiterplatte: Заявка 19641397 A1 Германия, МПК⁶ H05k 1/05 / Reiter Martino, Wolkers Lutz, Brikholtz Peter; Siemens AG. - №196413974; заявл. 27.9.96; опубл. 2.4.98.

2. Внедренные сопротивления в отверстиях печатных плат. Innenlegende Widerstände in Borungen von Leiterplate: Заявка 10015269 A1 Германия, МПК⁷ H05k 1/16 / Crasser Eduard, Katzir Helmut; Siemens AG - №10015269; заявл. 28.3.2000; опубл. 28.6.2001 (прототип).

3. Добрынин А.В., Казаков Н.П., Найда Г.А., Родденежный Е.Н. и др. Нитрид алюминия в электронной технике // Зарубежная электроника. М., Вып.4, 1989, с.44-84.

4. Свойства элементов, Ч.2. Химические свойства. Справочник / Антонова Н.Н., Брахнова И.Т., Борисова А.Л. и др. Под ред. Г.В.Самеонова. М. Металлургия, 1976. 384 с.

5. Лысов В., Кочергин В. Печатные платы с металлическим основанием // Печатный монтаж, №3, 2007, с.23.

6. Кухлинг X. Справочник по физике. Перевод с нем. под ред. Е.М.Лейкина. М., Мир, 1985, табл.28.

1. Способ изготовления печатных плат с встроенными резисторами, основанный на использовании металлической пластины в качестве основания печатной платы и последующем покрытии поверхности платы и стенок отверстия изоляционным слоем, заполнении отверстий резистивной пастой, нанесении токопроводящего слоя на поверхность платы и стенки монтажных отверстий и формировании проводящего рисунка схемы, отличающийся тем, что в качестве изоляционного слоя используют нитрид алюминия, встроенные резисторы размещают в отверстиях с нанесенным изоляционным слоем из нитрида алюминия на стенках отверстий, а токопроводящий слой наносят также на торцы встроенных резисторов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование проводящего рисунка схемы осуществляют путем нанесения фотомаски, избирательного гальванического усиления толщины проводящего слоя, избирательного осаждения защитного металлорезиста, удаления фотомаски и травления проводящего слоя с пробельных мест.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование проводящего рисунка схемы осуществляют путем гальванического усиления толщины всего проводящего слоя, нанесения фотомаски на контактные площадки, проводники и места расположения торцев встроенных резисторов, вытравливания проводящего слоя с пробельных мест, удаления фотомаски, нанесения защитной паяльной маски и облуживания контактных площадок и стенок монтажных отверстий.