Межслойное соединение в печатных платах и способ его выполнения

Межслойное соединение в печатных платах и способ его выполнения

Реферат

Изобретение относится к конструкциям и способам изготовления многослойных печатных плат, а именно межслойных электрических соединений для больших токов, особенно в гибких печатных платах.

Известны и производятся в массовом объеме многослойные печатные платы с межслойными соединениями, представляющие собой пакеты двусторонних и/или односторонних печатных схем, проводящие элементы в разных слоях которых электрически соединены через отверстия с металлизированными стенками в части слоев или во всех слоях пакетов [например, Медведев A.M. Печатные платы: конструкции и материалы. - М.: Техносфера, 2004; US Pat. Nos. 5590461, 6541712]. Отверстия либо высверливают (недостатки: низкая производительность, износ сверл, большие контактные площадки из-за разброса позиционирования сверла), либо пробивают (недостатки: дорогая и изнашиваемая оснастка, ниже адгезия нанесенной металлизации), либо прошивают лазерным излучением (недостатки: дороговизна оборудования, низкая производительность, разброс позиционирования, трудность подбора режимов), либо вытравливают (недостаток: не все диэлектрические слои хорошо травятся, для разных слоев нужны разные травители, при большой толщине печатной платы велико подтравливание). Для изготовления двухсторонней (или для многослойной, но при условии последовательной предварительной обработки слоев) печатной платы многими преимуществами перед другими обладает способ травления: низкая стоимость, высокая производительность, высокое пространственное разрешение, высокая плотность монтажа.

Металлизацию стенок отверстия производят чаще всего в два приема: сначала проводят химическое осаждение тонкого слоя металла (или осаждение аэрозоля углерода), а затем его наращивают электрохимическим способом. Электрический контакт через отверстия может осуществляться и с использованием проводящих паст [US Pat. Nos. 5906042, 6096411, 6139777, 6534723].

Хотя площадь сечения металлизации отверстия может превышать площадь сечения печатного проводника в области их контакта, практика эксплуатации электронных устройств показывает, что подавляющая часть отказов приходится на металлизацию отверстий и внутренние соединения [Медведев A.M. Технологическое обеспечение надежности соединений в печатных платах. Технология в электронной промышленности, №6, 2005]. Это обусловлено рядом возможных причин или их комбинацией, в частности разрывами самой металлизации на стенках отверстия между разными слоями из-за разной адгезии, из-за термомеханических напряжений как в процессе изготовления, так и при эксплуатации, а также разрывами между ней и коммутируемыми слоями. Вероятность отказа межслойного соединения значительно возрастает при изгибах печатных плат, т.к. деформация стенок отверстий происходит не равномерно, а преимущественно на стыках слоев, что быстро разрушает слой металлизации в области стыков слоев печатной платы. Для уменьшения влияния этих факторов отверстие в многослойной печатной плате обрабатывают до плакирования гидроабразивной обдувкой с последующими травлением, промывкой и сушкой, чтобы создать на стенках отверстия ступенчатый рельеф [Ильин В.А. Технология изготовления печатных плат. Л., Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984, с.18], но это связано со снижением производительности, усложнением технологии, а площадь контакта металлизации стенок отверстия с проводящими слоями платы увеличивает незначительно и влияния упомянутых факторов не исключает.

Другим недостатком описанного выше межслойного соединения является то, что при больших толщинах проводящих дорожек печатной платы, рассчитанных на большие токи, слой металлизации отверстия также должен быть значительным, что приведет (из-за недостаточной гибкости) к большим механическим напряжениям в уязвимой области соединения проводящей дорожки с металлизацией отверстия как при перепадах температур, так и при изгибах печатной платы, когда возникают значительные отрывающие моменты сил. Использование же при этом большого числа отверстий с меньшим сечением металлизации, рассчитанных на меньшие токи, уменьшает возможную плотность монтажа.

Для передачи больших токов известен метод выступающих выводов [Ильин В.А. История печатных плат в СССР], заключающийся в том, что межслойные соединения образуются за счет выводов, выполненных с каждого печатного слоя и проходящих через отверстия в печатной плате на ее наружную сторону и распаянных по соответствующим контактным площадкам. Для этого методом травления получают проводящий рисунок на фольгированном диэлектрическом материале, причем в пределах каждого окна проводники заканчиваются в виде узких медных полосок со свободными концами. После этого производят склейку всех слоев в пакет, причем в межслойном диэлектрике заранее прорубают аналогичные окна. В эти окна протаскивают свободные концы полосок. В результате получается многослойная композиция с узенькими проводниковыми ленточками в качестве межслойных перемычек. Эти ленточки получили название выступающих выводов. Далее выводы, выступающие из всех слоев платы, отгибают на колодки, расположенные на наружной стороне платы, или припаивают к контактным площадкам.

Недостатком этого соединения является низкая плотность монтажа и низкая производительность способа выполнения, ограниченность применения, связанная с невозможностью прямого соединения между собой внутренних слоев многослойной печатной платы.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности и электропроводности межслойного соединения в печатных платах.

Указанная цель достигается тем, что межслойное электрическое соединение в печатных платах содержит соединяемые контактные площадки слоев металлизации, причем хотя бы одна из контактных площадок содержит элемент или элементы, пересекающие отверстие (окно) в диэлектрике, другая контактная площадка перекрывает это отверстие в диэлектрике полностью или частично, а обращенные друг к другу поверхности контактных площадок по обе стороны отверстия соединены электрически. Элементы, пересекающие отверстие в диэлектрике, могут иметь вид полосок, решеток или иных фигур, например дуг или зигзагов, не закрывающих отверстие полностью. Ширина элементов, пересекающих отверстие в диэлектрике, зависит от выбранного способа выполнения соединения: например, при вытравливании отверстий в диэлектрике ширина этих элементов (полос и т.д.) должна быть порядка двойной толщины диэлектрика или меньше, чтобы за время травления слоя диэлектрика произошло подтравливание его под всей площадью проводящего элемента, пересекающего окно.

Электрическое соединение между элементами соединяемых противоположных контактных площадок выполнено в области отверстия в диэлектрике в виде проводящей перемычки из припоя, или из проводящей пасты, или из химически осажденного проводящего материала, или из электрохимически осажденного материала, или в виде сварного соединения. Отверстие в диэлектрике может быть полностью занято проводящим материалам или не полностью.

Для выполнения предлагаемого межслойного электрического соединения предлагается следующий способ:

в слое металлизации фольгированного с двух сторон диэлектрика создают любым известным способом (с помощью фотолитографии, например) описанный выше рисунок контактной площадки (полоса, полосы, крест, решетка и т.п.) над местом, где планируется выполнить электрический контакт, т.е. над местом, окном, где будет удален диэлектрик,

затем удаляют диэлектрик под контактной площадкой любым из известных способов, не нарушающих рисунок контактного слоя (травлением через окна в рисунке с подтравливанием, удаляющим диэлектрик под металлическим рисунком контактной площадки, или сухим, в т.ч. плазмохимическим методом или иным cпocoбoм) ["Higher Density PCB's For Enhanced SMT ang Bare Chip Assembly Applications" by Michael Moser et al., 1995 Proceedings of ICEMEM, pp.543-552], или импульсным лазерным испарением диэлектрика в области контакта [Т.F.Redmond et. al. "The Application of Laser Process Technology to Thin Film Packaging" in 1992 Proceedings of 42nd Electronic Components Technology Conference (ECTC) pp.1061-1071], или другим известным способом [US Pat. Nos. 5055321, 5097593, 5092032],

а после этого осуществляют электрическое соединение контактных площадок с двух сторон отверстия, образовавшегося в диэлектрике, путем пайки (введением припоя), или путем введения проводящей пасты (с требуемой обработкой) [US Pat. Nos. 5250228, 5282312, 5906042, 5977490, 6096411, 6139777], или электролитическим осаждением, или путем сварки (точечной электросваркой, электронным лучом, пламенем, лазерным излучение и т.п.) прижатых друг к другу любым известным способом контактных площадок.

Отверстия любой формы (а не только круглой, как при сверлении, а и многоугольной, щелевой, протяженной и т.п.) в диэлектрике получают путем травления, а точность при этом, благодаря использованию фотолитографии, может быть очень высокой. Травление может производиться в жидких травителях или сухим способом, в т.ч. плазменным, включая ионное, ионно-лучевое и реактивное. Отверстия практически любой формы, но с меньшим пространственным разрешением, чем с помощью травления, в диэлектрике получают также импульсным лазерным облучением (серией импульсов по требуемой площадке) - материал диэлектрика при этом испаряется через остающиеся открытыми участки между упомянутыми выше проводящими элементами контактной площадки (или обеих площадок). Тот же результат получают нагревом электронным или ионным лучом в режимах, позволяющих избежать полимеризации материала диэлектрика, препятствующей испарению.

Вариант электрического соединения контактных площадок сваркой возможен при достаточно большой площади отверстия, когда контактные площадки могут быт прижаты друг к другу без их повреждения (за счет упругой деформации), для чего может быть создан специальный рисунок контактной площадки: например, полоску металлизации над отверстием выполнить в виде зигзага. Прижатие осуществляют механическим давлением с помощью сварочных электродов либо выполняют металлизацию из магнитного материала и помещают узел во время сварки во внешнее магнитное поле, чтобы свариваемые части притянулись друг к другу, а сварку проводят лазерным импульсом или электрическим разрядом. Нагревшиеся при импульсном нагреве выше точки Кюри элементы удерживаются далее в контакте поверхностным натяжением расплава в точке сварки вплоть до его затвердения.

Вариант с электролитическим осаждением для создания проводящей перемычки между элементами соединяемых контактных площадок осуществляют, в одном из вариантов, следующим способом (общеизвестные детали - обрезки технологических полей, совмещения, нанесение фоторезиста и его удаление, экспонирование, подготовка поверхностей к пайке, промывки и т.п. - опущены):

- с помощью фотолитографии наносят на фольгированный с двух сторон диэлектрик маску для создания рисунка требуемой разводки и соединяемых элементов контактных площадок, а также технологических проводящих дорожек от контактных площадок, соединение которых между собой надо выполнить, до контактной площадки на технологическом поле, предназначенной для подачи потенциала при электролитическом нанесении проводящего материал,

- проводят травление для удаления лишней металлизации,

- по той же топологии (с той же маской, если она является универсальной, или с другой маской той же топологии) проводят травление диэлектрика в течение времени, достаточного для полного удаления диэлектрика под элементами контактных площадок,

- по той же топологии (с той же маской, если она является универсальной, или с другой маской той же топологии) проводят электролитическое осаждение проводящего материала (например, меди) на обращенные друг к другу поверхности элементов контактных площадок до их срастания, надежного сращивания, обеспечивающего надежные электрическое и механическое соединение, подавая при этом соответствующий потенциал на соединенную с ними технологическими дорожками контактную площадку на технологическом поле.

При этом, создавая для разных соединяемых слоев многослойной печатной платы разные технологические контакты для электролиза, можно регулировать последовательность осаждения на разных контактах, например начать осаждение с самых глубоких слоев многослойной печатной платы, а затем переходить к менее глубоким, это исключит забивание входа в контактный колодец, т.е. исключит запирание электролита в объеме многослойной платы и обеспечит последовательный электрический контакт между контактными площадками разных слоев в колодце. Используя этот вариант способа для многослойной платы, собранной из плат, изготовленных по предлагаемому способу, но без электрического соединения между элементами контактных площадок, можно также, подавая смещение для электролиза на те или иные контакты в течение заданного времени, выборочно соединять электрически (или не соединять) в группы контактные площадки разных слоев в одном колодце, т.е. в одном колодце можно выполнить несколько изолированных друг от друга групп соединений. Предложенным способом электрически соединяют между собой попарно или в требуемые группы и контактные площадки разных плат, составляющих пакет.

В другом варианте соединяют контактные площадки пайкой путем введения припоя в область между контактными площадками. Перед пайкой наружные поверхности защищают термостойким резистом. Наносят этот резист по тому же шаблону, по которому наносят резист для травления проводящего слоя и диэлектрика. Т.е. если использовать гипотетический (далее - «универсальный»), но не исключенный теоретически резист, стойкий к травителям металлического слоя и диэлектрика, а также к воздействию электролита и/или высоких температур, или к части этих воздействий, то можно уменьшить число операций фотолитографии или обойтись всего лишь одной для проведения всех (или нескольких) перечисленных выше процессов (травление металлического слоя, травление диэлектрика, электрическое соединение контактных площадок).

Пайку проводят либо погружением в припой (припой поступает в пространство между соединяемыми элементами за счет смачивания их поверхностей и сил поверхностного натяжения), либо нанесением жидкого припоя с одной стороны платы, либо принудительно: или совмещают погружение в припой с колебаниями или вибрацией платы, или паяют «волной», или создают перепад давлений на припой с разных сторон платы, выполнив для этого все контактные площадки не сплошными.

Примером конкретного исполнения может служить гибкая печатная двусторонняя плата для блока подсветки жидкокристаллического экрана, включающая разводку питания светодиодов, выполненная на полиимиде толщиной 25 мкм, фольгированном медью толщиной 35 мкм. Питание светодиодов требует множества межслойных соединений, каждое из которых рассчитано на ток до 1 А. Межслойные соединения выполнены в виде щелевых окон в диэлектрике, выполненных травлением, длиной 3 мм и шириной 0,5 мм, контактная площадка с одной стороны каждого окна выполнена сплошной, а с другой стороны в виде пересекающих щель в диэлектрике полосок шириной 20 мкм каждая с промежутками между ними по 30 мкм. Электрическое соединение контактных площадок выполнено электролитическим осаждением меди сначала на внутреннюю поверхность сплошного контакта (путем подачи потенциала на технологический контакт, связанный с ним), а после заполнения осажденным слоем 60% промежутка между контактами - одновременным осаждением и на внутреннюю поверхность второго (не сплошного) контакта (путем подачи потенциала на связанный с ним технологический контакт). Электролитическое осаждения ведут до заполнения окна в диэлектрике.

Преимуществом предлагаемого межслойного соединения и способа для его выполнения является высокая надежность соединения (в т.ч. в гибких печатных платах) за счет, в частности, увеличения площади контакта, уменьшение влияния механически слабых переходных слоев материалов, возможность коммутации больших токов (питающие шины, питание исполнительных устройств и т.д.), отсутствие необходимости предварительного химического осаждения проводящего материала на стенки отверстия (перед электрохимическим осаждением), отсутствие выступающих над поверхностью платы элементов, большая площадь контакта элементов контактных площадок с материалом электрической перемычки, компенсирующая, например, невысокую удельную проводимость проводящей пасты, а также простота технологии изготовления.

1. Межслойное электрическое соединение в печатных платах, содержащее соединяемые контактные площадки слоев металлизации и отверстие в диэлектрике между ними, отличающееся тем, что хотя бы одна из контактных площадок содержит элемент или элементы, пересекающие отверстие в диэлектрике, другая перекрывает отверстие в диэлектрике полностью или элементами, пересекающими отверстие в диэлектрике, а обращенные друг к другу поверхности контактных площадок по обе стороны отверстия соединены электрически.

2. Межслойное соединение по п.1, отличающееся тем, что отверстие в диэлектрике выполнено круглым, или многоугольным, или в виде щели, или другой формы, а элемент или элементы хотя бы одной контактной площадки, пересекающие отверстие в диэлектрике, выполнены в виде прямых или криволинейных полосок, пересекающихся или не пересекающихся между собой.

3. Межслойное соединение по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что полоски имеют ширину порядка двух толщин диэлектрика или меньше.

4. Межслойное соединение по п.1, отличающееся тем, что электрическое соединение между элементами противоположных контактных площадок выполнено или в виде проводящей перемычки из припоя, или из проводящей пасты, или из химически осажденного материала, или из электрохимически осажденного материала, или в виде сварного соединения.

5. Способ выполнения межслойного соединения по п.1, отличающийся тем, что одну из соединяемых контактных площадок выполняют в виде окна, пересеченного проводящими элементами, вторую контактную площадку выполняют сплошной в пределах того же окна или в виде проводящих элементов, пересекающих окно, диэлектрик в пределах окна, в том числе под пересекающими окно проводящими элементами, удаляют, а элементы контактных площадок электрически соединяют.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что диэлектрик в пределах окна удаляют травлением (химическим, в т.ч. сухим, плазменным или иным) в течение времени, достаточного для удаления диэлектрика под пересекающими окно проводящими элементами путем подтравливания.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что диэлектрик в пределах окна удаляют испарением через промежутки между пересекающими окно проводящими элементами путем нагрева.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что нагрев производят сфокусированным в области окна лазерным излучением, или электронным лучом, или ионным лучом.

9. Способ по п.5, отличающийся тем, что контактные площадки электрически соединяют путем пайки.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что перед пайкой наружные поверхности металлизации и контактных площадок маскируют термостойким резистом.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что расплавленный припой вводят в область между контактными площадками путем погружения печатной платы в расплавленный припой или путем смачивания расплавленным припоем.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что расплавленный припой вводят в область между контактными площадками принудительно (струей, вибрацией, под давлением и т.п.).

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что контактные площадки выполняют не сплошными, расплавленный припой вводят в область между ними путем создания перепада давлений с разных сторон печатной платы.

14. Способ по п.5, отличающийся тем, что контактные площадки электрически соединяют путем введения в промежуток между ними проводящей пасты.

15. Способ по п.5, отличающийся тем, что одну или обе обращенные друг к другу поверхности контактных площадок наращивают путем электролитического осаждения проводящего материала до их надежного сращивания.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что контактные площадки соединяют печатными технологическими проводящими дорожками с контактом (или контактами) для проведения электролиза, расположенным на технологическом поле печатной платы, покрывают наружные поверхности металлизации, включая наружные поверхности контактных площадок, резистом, стойким к электролиту, и наращивают обращенные друг к другу поверхности контактных площадок путем осаждения проводящего материала до их надежного сращивания.

17. Способ по п.5, отличающийся тем, что пересекающие окно элементы контактных площадок, находящихся с разных сторон окна, электрически соединяют между собой путем сварки (точечной электросваркой, электронным лучом, пламенем, лазерным излучением и т.п.).

18. Способ по п.5 или 16, отличающийся тем, что элементы одной или обеих контактных площадок выполняют с возможностью их деформации вплоть до соприкосновения.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что контактные площадки выполняют из магнитного материала, а при сварке помещают в магнитное поле.

20. Способ по п.5, отличающийся тем, что перед электрическим соединением контактных площадок отдельные платы собирают в пакет, представляющий собой многослойную плату или ее часть, а затем элементы контактных площадок, в том числе и разных плат, электрически соединяют в требуемые группы.

21. Способ по любому из пп.5, 6, 9, 10, 14-16, отличающийся тем, что обрабатываемые области выделяют фотолитографией.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что используют универсальный фоторезист, пригодный для нескольких обработок.