СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБКИХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Российский патент 2008 года по МПК H05K3/00 H05K3/10 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при конструировании радиоэлектронной техники.

Известен способ изготовления гибких печатных плат и кабелей [1] на основе субтрактивного метода изготовления печатных плат, заключающегося в том, что сначала металлическую катаную фольгу плакируют полимерной пленкой либо полимерную пленку термически припрессовывают к фольге. Затем методом фотопечати получают изображение электропроводящего рисунка печатной схемы. На участках, незащищенных фоторезистом, металлическую фольгу стравливают и получают электропроводящую печатную схему. Затем удаляют фоторезист химическим растворителем, тщательно промывают и высушивают диэлектрическое основание и получают гибкую печатную плату.

Недостатком известного способа является изготовление печатной электропроводящей схемы путем травления металла фольги. При этом из-за бокового травления увеличивается зазор между смежными проводниками, что требует увеличения ширины печатного проводника. Это затрудняет изготовление печатной платы высокого класса.

Кроме того, известен способ изготовления гибких печатных плат [2], принятый за прототип, который заключается в том, что на стальную пластину последовательно наносят следующие слои: технологический разделительный, металлорезестивный и электропроводящий в процессе термораспада соответствующих металлоорганических соединений. В качестве технологического слоя применяют алюминиевое покрытие толщиной 20-25 мкм, которое получают при термораспаде триизобутилалюминия в вакуумной камере при давлении 1·10^-2 мм рт.ст., температуре 400°С в течение 30 минут. Затем в этой камере наносят металлорезестивное покрытие никелем или кобальтом толщиной 4-5 мкм. Термораспад проводят в потоке водорода при остаточном давлении 1·10^-1 мм рт.ст. Никелевое покрытие получают при разложении дициклопентаденилникеля, а кобальтовое - при разложении дициклопентадиенилкобальта. Время термораспада 10 минут. На металлорезестивное покрытие наносят электропроводящее медное покрытие толщиной 20-30 мкм при термораспаде ацетилацетоната меди при температуре 400°С в среде водорода в течение 30 минут. Затем методом фотолитографии получают рисунок электропроводящей схемы. С незащищенных участков электропроводящей схемы стравливают медь и получают медную печатную схему, на поверхность которой наносят тонкий слой полимера толщиной 80-100 мкм, нагревают до 200°С и выдерживают 25-30 минут. Отделяют металлическую пластину путем растворения алюминиевого разделительного слоя в 10-15% растворе щелочи в течение 20-25 минут и получают гибкую печатную плату. Изготовление гибкой двухслойной печатной платы проводят путем соединения между собой двух однослойных плат еще до отделения их от металлической пластины путем склеивания через слой полимера толщиной 80-100 мкм, после чего растворяют алюминиевые слои, отделяют металлические пластины и получают гибкую двухслойную печатную плату.

К недостаткам известного способа следует отнести:

1. Сложность оборудования и высокую стоимость металлоорганических соединений.

2. Ограничение размеров печатной платы размерами вакуумной камеры.

3. Низкую производительность способа, обусловленную необходимостью загрузки и выгрузки изделий из камеры, что затрудняет процесс изготовления гибких печатных плат в автоматическом режиме.

4. Затруднено изготовление печатных плат высокого класса точности, так как электропроводящую схему получают путем травления относительно толстого слоя меди.

Задачей изобретения является создание более простого способа изготовления гибких печатных плат, позволяющего осуществлять массовое крупномасштабное производство с применением автоматизированных линий гальванических процессов, при этом получают гибкие печатные платы более высокого класса точности и без ограничения размеров.

Поставленная задача решается тем, что известный способ изготовления гибких печатных плат [2], в котором проводят нанесение на металлическую пластину слоев: технологического разделительного слоя и металлорезестивного никелевого слоя толщиной 4-5 мкм, затем наносят электропроводящую медную схему толщиной 20-25 мкм в соответствии с предварительно нанесенным методом фотолитографии фоторезистивным рисунком электропроводящей схемы, удаляют фоторезист, наносят слой полимера, например полиимида, толщиной 80-100 мкм и выдерживают в течение 30 минут при температуре 200°С, отделяют металлическую пластину, растворяют технологический разделительный слой металла, отличается тем, что в качестве металлической пластины применяют алюминиевую гальванопластическую плоскую форму, а в качестве технологического разделительного слоя применяют электролитическим способом осажденную медь толщиной 4-6 мкм, металлорезестивный слой получают электролитическим осаждением никеля, электропроводящую медную схему получают электролитическим осаждением меди, гальванопластическую форму отделяют отслаиванием от технологического медного слоя, а технологический медный слой удаляют травлением и получают гибкую печатную плату.

Две односторонние печатные платы до отделения алюминиевой формы соединяют слоем полимера толщиной 80-100 мкм со стороны электропроводящей схемы, после чего отслаивают алюминиевую форму, удаляют медный технологический слой травления и получают двухслойную печатную плату.

Способ реализуется следующим образом. Производят последовательное нанесение металлических слоев, необходимых для изготовления гибкой печатной платы, электролитическим осаждением металла на поверхность гальванопластической алюминиевой формы. При электролитическом осаждении медного осадка на алюминиевую гальванопластическую форму можно достичь столь слабого сцепления между осадком и формой, что возможно механическое отслаивание медного осадка от формы.

В работе [3] рассмотрены гальванопластические формы из различных металлов и способы их подготовки к металлопокрытию. Для реализации предложенного способа используют алюминиевую гальванопластическую форму. В качестве алюминиевой формы могут применяться алюминиевые легированные медью сплавы, например сплав Д16Т. Алюминиевую форму подготавливают к металлопокрытию путем анодирования в растворе серной кислоты при плотности тока 1 А/дм², при температуре 20°С и продолжительности 2 минуты. Затем электролитическим способом осаждают на поверхность формы медный осадок толщиной 4-5 мкм из раствора состава, г/л: медь сернокислая - 250, серная кислота - 70. Плотность тока 1 А/дм², температура 20°С, продолжительность 6 минут. На полученный технологический медный слой методом фотолитографии с помощью фоторезиста СПФ-ВЩ-2-25 наносят рисунок электропроводящей схемы [4]. На пробельные места рисунка осаждают электролитическим способом никель толщиной 4-6 мкм из раствора состава г/л: сернокислый никель - 300, хлористый никель - 45, борная кислота - 38. Температура 45-65°С, плотность тока 4 А/дм², продолжительность 12 минут [5].

На тонкий слой никеля электролитическим способом осаждают медь толщиной 20-25 мкм, из упомянутого кислого медного электролита меднения, в течение 30 минут и получают медную электропроводящую схему печатной платы. Удаляют фоторезист путем его растворения в 5-10% растворе едкого натра [4]. На поверхности формы со стороны медной электропроводящей схемы наносят слой полиимида толщиной 80-100 мкм, нагревают до 200°С и выдерживают 25-30 минут.

Затем отслаивают тонкий слой меди вместе с гибкой печатной платой от алюминиевой формы. После чего медный слой стравливают в серной кислоте в присутствии окислителя перекиси водорода [6], продолжительность травления 3-5 минут, и получают гибкую однослойную печатную плату.

Для получения гибкой двухслойной печатной платы берут две однослойные печатные платы, до отделения алюминиевой формы с толщиной полиимидной пленки 40-50 мкм. На поверхность полиимидной пленки наносят тонкий слой полиимидного клея на основе полиимидных кислот с диаминами [7]. Затем укладывают две однослойные платы со стороны клеевого слоя и обрабатывают при температуре 200°С и давлении 1-1.25 МПа в течение 2-3 часов. После чего отслаивают алюминиевые формы, удаляют медный технологический слой травления и получают гибкую двухслойную печатную плату.

Отличительной особенностью предлагаемого способа является применение алюминиевой гальванопластической формы для последовательного нанесения металлических слоев гибкой печатной платы путем электролитического осаждения металла на поверхность формы. При этом возможно механическое отслаивание от формы тонкого медного технологического слоя совместно с гибкой печатной платой. Электролитическое осаждение металла проводят в гальванической ванне. При необходимости последовательного осаждения различных металлов соответствующие гальванические ванны соединяют в единую линию гальванических процессов, которая может быть автоматизирована.

Размер гальванических ванн с рабочей поверхностью более 1 м² и размер гальванопластических форм, не имеющий ограничений, позволяет одновременно изготавливать большое число электропроводящих схем гибких печатных плат различного размера. При этом можно изготавливать гибкие печатные платы высокого класса, так как формирование ширины проводника электропроводящей схемы происходит путем электроосаждения на пробельных местах фоторезистивного рисунка с толщиной, сопоставимой с толщиной проводника. В этом случае класс точности электропроводящей схемы соответствует разрешающей способности фоторезиста.

Пример 1. Алюминиевую гальванопластическую форму из алюминиевого сплава Д16Т размером 120×100×0,3 мм подготавливают к металлопокрытию в гальванической ванне путем анодирования в 4 н. серной кислоты при плотности тока 1 А/дм² и температуре 20°С, продолжительность анодирования 2 минуты. Затем на поверхность алюминиевой гальванопластической формы электролитическим способом осаждают медь из раствора г/л: медь сернокислая - 200, серная кислота - 70. Плотность тока 4 А/дм², температура 20°С, продолжительность 6 минут. Толщина осадка 4-6 мкм. На поверхность медного осадка методом фотолитографии наносят фоторезистивный рисунок электропроводящей схемы с помощью фоторезиста марки СПФ ВЩ-2-25 с шириной медного проводника 90 мкм. На пробельные места в фоторезисте электролитическим способом осаждают тонкий слой никеля из электролита состава, г/л: никель сернокислый - 300, хлористый никель - 45, борная кислота - 38. Температура 45-65°С, плотность тока 2-3 А/дм, продолжительность 20 минут. Толщина осадка 6 мкм. Затем электролитическим способом осаждают медь в ванне с упомянутым электролитом меднения. Электроосаждение меди проводят в течение 30 минут и получают проводящую медную печатную схему толщиной 20-25 мкм.

Суммарная толщина электролитически осажденного никеля и меди не превышает толщину фоторезиста, поэтому при их электролитическом осаждении в колодец фоторезиста сохраняется ширина проводника и расстояние между проводниками в соответствии с разрешающей способностью фоторезиста 4-5 класса точности.

После чего форму со стороны электропроводящей схемы покрывают тонким слоем полиимида 90 мкм, выдерживают 30 минут при температуре 200°С. Затем механически отслаивают от алюминиевой формы тонкое медное технологическое покрытие совместно с гибкой печатной платой. Удаляют медное покрытие травлением в растворе серной кислоты в присутствии окислителя, например перекиси водорода, в течение 6 минут [6]. Получают гибкую печатную плату с медной проводящей схемой и резистивным никелевым покрытием, которое защищает медные проводники от окисления и способствует качественной пайке.

Пример 2. На алюминиевой гальванопластической форме размером 340×400×0,25 мм одновременно изготавливают девять гибких печатных плат размером 120×100 мм по технологии примера 1.

Алюминиевую форму подготавливают к металлопокрытию [3]. Затем на поверхность алюминиевой формы наносят электролитическую медь толщиной 4-5 мкм [5]. На поверхность медного осадка методом фотолитографии наносят фоторезистивный рисунок девяти электропроводящих схем с размером 120×100 мм, которые располагаются в трех горизонтальных и трех вертикальных рядах. Расстояние между рядами 10 мм. На пробельные места фоторезистивного рисунка электролитическим способом осаждают слой никеля толщиной 5 мкм из электролита состава, г/л: никель сернокислый - 300, хлористый никель - 45, борная кислота - 38. Температура 45-65°С, плотность тока 4 А/дм², продолжительность 12 минут. Электроосаждение токопроводящей медной схемы проводят в течение 30 минут и получают токопроводящую медную печатную схему толщиной 20 мкм. После чего форму со стороны электропроводящей схемы покрывают тонким слоем полиимида толщиной 85-90 мкм и выдерживают 30 минут при температуре 200°С. Затем механически отслаивают от алюминиевой формы технологическое медное покрытие совместно с гибкой печатной платой. Удаляют медное покрытие путем травления и получают гибкую печатную плату размером 340×400 мм, включающую девять гибких печатных плат размером 100×120 мм, которые могут быть механически выделены из общей платы в качестве самостоятельных.

Пример 3. На алюминиевую гальванопластическую форму размером 100×120 мм электролитическим способом осаждают медь из раствора г/л: медь серно-кислая - 250, серная кислота - 70, плотность тока - 4 А/дм, температура 20°С, продолжительность 6 минут. Толщина осадка 5 мкм. На поверхность медного осадка методом фотолитографии наносят фоторезистивный рисунок с помощью пленочного фоторезиста СПФ-ВЩ-2-25. На пробельные места рисунка электролитическим способом осаждают тонкий слой никеля из электролита состава, г/л: никель сернокислый - 300, хлористый никель - 45, борная кислота - 38. Температура 45-65°С, плотность тока 3 А/дм², продолжительность 18 минут, толщина 5 мкм. Затем электролитическим способом осаждают медь в ванне с упомянутым электролитом меднения в течение 25 минут и получают медную электропроводящую схему толщиной 20 мкм. На медную схему электролитическим способом наносят шероховатый осадок меди из раствора состава, г/л: медь сернокислая - 45, серная кислота - 200. Температура 22-25°С, плотность тока 6 А/дм². Режим осаждения импульсный: время осаждения 0,5 минут, время паузы 0,025 минут. Продолжительность осаждения 5 минут. Величина шероховатого осадка 2,5 мкм. Затем удаляют фоторезист. На поверхность формы со стороны медной электропроводящей схемы наносят водную пастообразную суспензию фторопласта марки Ф-4ДП. Проводят сушку при температуре 50°С, после чего запрессовывают фторопласт при температуре 360°С и давлении 60 кг/см² [8] и получают пленку фторопласта толщиной 0,3-0,5 мм. Затем отслаивают алюминиевую форму, удаляют медный технологический слой травлением и получают гибкую печатную плату на фторопластовой пленке.

Пример 4. Получают гибкую двухслойную печатную плату, для чего берут две однослойные печатные платы, изготовленные по технологии примера 1, с толщиной полиимидной пленки 40-50 мкм. На поверхность полиимидной пленки наносят тонкий слой полиимидного клея на основе полиимидных кислот и смесей эфиров тетрокарбоновых кислот с диаминами. Затем укладывают две однослойные платы со стороны полиимидного клея и подвергают термическому прессованию при температуре 200°С и давлении 1-1,25 МПа в течение 2-3 часов. После чего отслаивают алюминиевые формы, удаляют тонкий медный технологический слой травлением и получают гибкую двухслойную печатную плату.

Технический результат

Повышение надежности гибких печатных плат достигается за счет увеличения прочности сцепления полимерной пленки с медной электропроводящей схемой, на поверхности которой со стороны полимерной пленки образуют шероховатую поверхность. Все металлические слои гибкой печатной платы получают электролитическим осаждением металла в гальванических ваннах, представляющих простую конструкцию по сравнению с вакуумными камерами, используемыми в способе-прототипе. Последовательные осаждения металлических слоев в соответствующих гальванических ваннах могут быть объединены в единую линию гальванических покрытий, которая поддается автоматизации. Рабочая поверхность гальванических ванн позволяет проводить одновременное изготовление большого числа гибких печатных плат, при этом резко увеличивается производительность их производства. Электроосаждение всех слоев проводят в простых растворах на основе недефицитных реактивов. Предложенный способ безотходный, так как в результате травления меди в растворе серной кислоты образуется раствор сернокислой меди, который повторно используется в производстве. Электролитическое осаждение электропроводящего рисунка медью на пробельных местах фоторезистивного рисунка позволяет при толщине медного проводника, равной или меньше толщины фоторезиста, получать печатные платы высокого класса. Таким образом, предложенный способ позволяет повысить надежность печатной платы, упростить и удешевить технологический процесс, увеличить производительность изготовления печатной платы и изготавливать печатные платы высокого класса точности.

Литература

1. Гаврюшин Н.Н. Методы изготовления гибких печатных плат и кабелей. Ж.: Зарубежная радиоэлектроника. М.: Радио и связь 1985, №5, стр.54-63.

2. Патент №2277764 С1. Способ изготовления гибких печатных плат. Бюллетень №16 10.06.2006 (прототип).

3. Гальванотехника. М.: Металлургиздат, 1987, стр.557, 572.

4. Федулова А.А. Устинов Е.П. и др. Технология многослойных печатных плат. М.: Радио и связь, 1990, стр.50-58.

5. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. т.1, М.: Машиностроение, 1985, стр.91-106.

6. Федулова А.А., Котов Е.П., Явич Э.Р. Многослойные печатные платы. М.: Советское радио. 1977, стр.108.

7. Полиимидный клей. Химический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983, стр.460.

8. Казарновский Д.М., Монов С.А. Радиотехнические материалы. М.: Высшая школа, 1972, стр.68-70.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при изготовлении гибких печатных плат, применяемых в радиоэлектронной технике. Технический результат - повышение надежности печатных плат, упрощение и удешевление технологического процесса, увеличение производительности и получение более высокого класса точности. Достигается тем, что в способе электролитически наносят на алюминиевую гальванопластическую форму медный технологический слой толщиной 4÷6 мкм, а затем позитивный фоторезистивный рисунок электропроводящей схемы. На пробельные места рисунка наносят резистивный никелевый слой толщиной 4÷5 мкм, после чего электропроводящую медную схему толщиной 20÷30 мкм и покрывают ее тонким слоем полимера толщиной 80÷100 мкм. После чего отслаивают гальванопластическую форму и растворяют медный технологический слой. Для получения двухсторонних гибких плат после электролитического осаждения медью электропроводящей схемы берут две платы и соединяют их между собой слоем полиимида. Затем отслаивают гальванопластическую форму и растворяют медный технологический слой. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления гибких печатных плат, включающий нанесение на металлическую пластину слоев: технологического разделительного металлического слоя и металлорезестивного никелевого слоя толщиной 4÷5 мкм, затем наносят электропроводящую медную схему толщиной 20÷25 мкм в соответствии с предварительно нанесенным методом фотолитографии фоторезистивным рисунком электропроводящей схемы, удаляют фоторезист и наносят слой полимера, например полиимида, толщиной 80÷100 мкм и выдерживают в течение 30 мин при температуре 200°С, отделяют металлическую пластину, растворяют технологический разделительный слой металла, отличающийся тем, что в качестве металлической пластины применяют алюминиевую гальванопластическую плоскую форму, а в качестве технологического слоя применяют электролитическим способом осажденную медь толщиной 4÷6 мкм, металлорезестивный слой получают электролитическим осаждением никеля, электропроводящую медную схему получают электролитическим осаждением меди на пробельные места фоторезистивного рисунка схемы, гальванопластическую форму отделяют отслаиванием от технологического медного слоя, а технологический медный слой удаляют травлением в растворе серной кислоты в присутствии окислителя, например перекиси водорода.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что две однослойные печатные платы до отслаивания от алюминиевых форм соединяют слоем полимера толщиной 80÷100 мкм со стороны электропроводящих схем, после чего отслаивают алюминиевую форму, удаляют медный технологический слой травлением и получают двухслойную печатную плату.