Создатели Отечественной Гальванотехники

ИСТОРИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ В СССР

к.т.н. В.А. Ильин

 

Малоизвестен тот факт, что первое авторское свидетельство на печатную плату (патент) было выдано в США на имя Гофмана в 1925 году. Однако, в это время радиотехника была еще в «зачаточном» состоянии и применявшийся повсеместно способ объемного монтажа вполне удовлетворял потребность производства радиоаппаратов того времени. Необходимость в печатной плате, как более рационального средства монтажа электрорадиоэлементов, появилась позже в связи со значительно возросшим производством радиоаппаратуры и ее совершенствованием в результате применения полупроводниковых приборов вместо электронных ламп. В США раньше чем в других странах начали проводиться работы по технологии изготовления печатных плат и по автоматизации монтажно-сборочных операций, так как печатная плата обеспечивает возможность автоматизации установки на нее радиоэлементов и осуществить их групповую пайку к проводникам печатной платы. Технология изготовления печатных плат основывалась на селективном вытравливании медной фольги, наклеенной на пластины из диэлектрического материала. Все элементы этой технологии заимствовались из полиграфической техники, в том числе: изготовление фотошаблонов, получение защитных рисунков с использованием фотополимерных композиций (фоторезистов), вытравливание меди в растворе хлорного железа. Не случайно поэтому этот новый вид продукции получил название printed circuits, printed boards (печатные схемы, печатные платы). Многие разработчики технологических процессов и специалисты по производству печатных плат формировались из числа полиграфистов и лишь несколько позднее из инженеров в области гальванотехники, когда появилась потребность создания металлизированных отверстий, соединяющих проводящие элементы, расположенные на противоположных сторонах платы. Это обстоятельство в значительной степени повлияло на дальнейшее развитие технологии изготовления печатных плат: гальванотехники ориентировались на химико-электролитические методы, а полиграфисты на способы втравливания, как это принято при изготовлении клише и других видов полиграфической продукции.

ПЕРВЫЕ ШАГИ (1953-1956 гг.)

Одной из первых разработок на печатных платах, внедренных в 1953 г., был радиоприемник «Дорожный», выполненный в виде небольшого чемодана, в котором помещалась одна печатная плата. В связи с отсутствием в это время фольгированных диэлектриков технология изготовления платы основывалась на электрохимическом способе, который заключался в сочетании процесса химического (бестокового) меднения плат из гетинакса с гальваническим меднением проводниковых дорожек. Производство радиоприемника было освоено одним из предприятий г.Воронежа по технологии, разработанной в ЦНИИТОП в г.Горький (Центральный научно-исследовательский институт технологии и организации производства). Печатная плата с точки зрения современных требований, была весьма примитивной: несколько широких проводников (4-5 мм) с пилообразными кромками, расположенных на обеих сторонах платы, соединялись через металлизированные отверстия. Химико-гальванические операции осуществлялись в поточной линии, разработанной также в ЦНИИТОП'е. Вскоре, однако, производство радиоприемника «Дорожный» было прекращено из-за его низких эксплуатационных качеств, высокой стоимости и быстро стареющей элементной базы. С 1954 г. на Кунцевском электромеханическом заводе (МРТЗ) началось производство телевизора «Старт» с применением печатных плат. Способ изготовления печатных плат был весьма оригинален и его можно считать первым вариантом изготовления так называемых теперь рельефных печатных плат. В качестве основания плат служили пластины, прессованные из карболита или какой-либо другой дешевой пластины. Прессование производилось таким образом, что в пластинах образовывались канавки, после металлизации которых, они служили проводниками. Основные операции изготовления платы:

• сверление монтажных и переходных отверстий;
• пескоструйная обдувка поверхности пластин для повышения адгезии последующего слоя металлизации;
• химическое меднение всей поверхности пластин;
• закатка выступающих элементов пластин краской с последующей сушкой;
• гальваническое меднение канавок;
• удаление слоя краски;
• механическая зачистка слоя химически осажденной меди на выступах;
• облуживание проводящего рисунка сплавом Розе для обеспечения операций пайки электро-радио элементов, монтируемых на плату.

Разработка и внедрение технологии изготовления плат, а также монтажно-сборочных операций проводилось под руководством Е.П.Котова. В эти же годы (1953-1956 гг.) многие разработчики радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и отраслевые технологические институты приступили к отработке технологии изготовления печатных плат для аппаратуры самого разнообразного назначения.

Наиболее характерные технические решения были созданы в КБ-1 (Москва) под руководством А.К.Катмана и М.А.Вицен, в НИТИ-18 (Ленинград) в лаборатории М.П.Николаева и В.А.Калмыковой при участии автора в ЦНИТОП'е (г.Горький) в Институте электротехнической про­мышленности (г.Истра) С.А.Шапиро и ряда других организаций. В связи с отсутствием в этот период фольгированных диэлектриков усилия разработчиков были направлены главным образом на по­лучение проводящего рисунка методами химического и электрохимического осаждения меди, а в большей части лабораторий различных НИИ, КБ собственными усилиями приклеивали медную фольгу к гетинаксу и делали платы методом вытравливания. Параллельно в электротехнической промышленности отрабатывалась технология производства фольгированных диэлектриков и с 1956 г. Московский завод «Изолит» приступил к промышленному выпуску фольгированного гети­накса, что дало возможность выпуска бытовой радиоаппаратуры на печатных платах, используя методы сеткографии для получения защитных рисунков и последующего вытравливания медной фольги в полиграфических установках КТ-3.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ В ОПЫТНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ НИИ и КБ (1956-1958 гг.)

На основе НИР и ОКР, выполненных в предшествующие годы НИИ и ОКБ различных ведомств стали производить соответствующие работы по выпуску образцов новых изделий радиоэлектроники с использованием печатного монтажа. Технологические процессы изготовления печатных плат были весьма сложными, трудоемкими, а качество плат, как правило, еще не удовлетворяли требованиям по таким показателям как сопротивление изоляции, плотность монтажа, адгезия проводящего рисунка с основой, обеспечение пайки. Ниже представлены краткие описания двух применявшихся способов получения проводящего рисунка: электрохимический и способ вытравливания. Общим для обоих способов был метод получения защитного рисунка фотохимическим методом, при этом фотошаблоны и фотопечать производились одинаково.

Фотошаблоны.

Фотошаблоны готовились следующим образом: на листе ватмана вычерчивался тушью проводящий рисунок в масштабе 4:1. С этого чертежа получали фотоснимок на пленку в виде пленочного негатива или позитива.

Защитный рисунок.

Защитный рисунок на заготовках плат получали фотохимически, используя жидкие фоторезисты (их в то время называли фотоэмульсиями) на основе желатины, а позднее на основе поливинилового спирта (ПВС) (спирт поливиниловый 70-100% г/л, хромово­кислый аммоний 10-15 г/л). Нанесение фоторезиста на заготовки плат, выравнивание его и подсушка, производилась вращением заготовок на центрифуге. Экспонирование изображения осуществлялось от ртутно-кварцевых ламп с использованием позитива при электрохимическом способе изготовления плат и негатива при способе вытравливания. Проявление изображения выполнялось в теплой воде.

Электрохимический способ.

Заготовки плат из гетинакса (стеклотекстолитов в то время еще не было) подвергались пескоструйной обдувке с обеих сторон, для придания необходимой шероховатости, обеспечивающей достаточно хорошее сцепление с наносимым слоем меди. Затем получали защитный рисунок вышеописанным способом фотопечати, используя пленку с позитивным изображением так, чтобы проводниковые дорожки были открыты, а пробельные участки защищены фоторезистом. После этой операции производилось сверление всех подлежащих металлизации отверстий, используя отпечаток защитного рисунка. Далее заготовки плат подвергались химическому меднению в растворах на основе глицератного комплекса меди и формалина в качестве восстановителя. Растворы характеризовались плохой стабильностью и обычно использовались, как одноразовые. После осаждения меди на всю поверхность, включая и отверстия, слой фоторезиста вместе с осевшей на его поверхности меди удалялся с пробельных участков в щелочном растворе с протиркой поверхности волосяными щетками. После этого тонкий слой химически осажденной меди оставался лишь на стенках отверстий и на проводниковых дорожках. Следующая операция - гальваническое меднение, необходимое для утолщения слоя меди, полученной химическим меднением. Сложность этой операции заключалась в том, что все проводники и отверстия были разобщены и соединение их в одну электрическую цепь для создания единой катодной поверхности представляло большие трудности. Вначале эта задача решалась посредством прошивки отверстий тонкой медной проволокой, соединяющей все элементы схемы в одну электрическую цепь. Несколько позднее ст.инженером НИТИ-18 А.И.Кондратьевым было разработано оригинальное приспособление, которое позволяло соединить все элементы схемы в одну цепь следующим образом: в рамку из текстолита вставлялась плата, на одну из сторон укладывался лист медной фольги, на который в свою очередь укладывался резиновый мешочек, наполненный водой, наподобие медицинской грелки и плотно прижимался крышкой с помощью пружинного зажима, подобно тому, как это делается в рамках для получения фотоснимков на бумаге. Медная фольга, равномерно прижимаясь ко всем элементам платы, подводит к ним электрический ток при катодном электроосаждении меди. По окончании гальванического меднения одной стороны приспособление разбирается и плата переворачивается в кассете на другую сторону. Процесс гальванического меднения таким образом продолжается для наращивания меди на проводники противоположной стороны платы. Это приспособление получило в дальнейшем широкое распространение на предприятиях в течение ряда лет при осуществлении так называемого негативного метода изготовления печатных плат. После гальванического меднения, которое производилось в стандартном сульфатном электролите следовало нанесение гальванического покрытия типа ПОС-60 из фторборатных электролитов, что было необходимо для обеспечения пайки навесных элементов. Позднее покрытие типа ПОС-60 заменялось на серебрение в нецианистых электролитах.

Способ вытравливания.

Как упоминалось выше фольгированный гетинакс появился тольков 1956 году; до этого времени сторонники данного способа были вынуждены приклеивать медную фольгу к гетинаксу собственными силами. Кстати, медная фольга выпускавшаяся промышленностью имела толщину 50 микрон; более тонкую фольгу еще не умели производить. Технологический процесс изготовления платы был значительно проще и состоял из следующих основных операций:

• получение защитного рисунка с помощью жидких фоторезистов, используя при фотопечати пленочные негативы и аналогичную технику создания защитного рисунка; при этом проводниковые дорожки защищались фоторезистом, а пробельные места оставались открытыми;
• вторая операция - травление. Она производилась обычно в растворе хлорного железа в установках КТ-3, которые используются в полиграфии. В этих установках раствор хлорного железа разбрызгивается вращающимися лопастями на поверхность платы;
• сверление монтажных и переходных отверстий;
• установка и развальцовка пустотелых металлических заклепок в переходные отверстия («пистонов»), где необходима передача электрических сигналов на противоположную сторону платы;
• облуживание проводников и металлических заклепок в сплаве Розе (сплав содержащий 50% олова и по 25% свинца и висмута).

Ширина контактных площадок вокруг отверстий требовалась значительно большей, чем на платах, изготавливаемых электрохимическим способом. Необходимость в этом обусловлена тем, чтобы при сверлении отверстий предотвратить возможность отрыва контактных площадок от основы. Каждый из методов имел свои преимущества и недостатки, кото­рые активно использовались в дискуссиях между сторонниками этих двух способов изготовления печатных плат.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ДЛЯ УСЛОВИЙ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА (1958-1967 гг.)

Серия климатических испытаний аппаратуры с применением печатных плат на подложках из гетинакса показали непригодность этого материала для ответственной аппаратуры из-за его низкой вла­гостойкости. Кроме того, технологические процессы не удовлетворяли требованиям серийного производства. Естественно возникла необходимость использования новых материалов для плат и существенной переработки технологических процессов. К началу шестидесятых годов электротехническая промышленность освоила производство фольгированного стеклотекстолита и уже в начале шестидесятых годов было разработано два технологических варианта изготовления плат на основе позитивного и негативного способов.

Однако уже в 1957 г. авторским коллективом Ленинградского НИТИ-18 в составе: Ильин В.А., Бобров И.И., Калмыкова В.А., Кондратьев А.И. технологический процесс электрохимического способа был значительно усовершенствован и внедрен в серийное производство на небольшом вновь организованном заводе в г. Новгороде, по производству унифицированных функциональных узлов (УФИ) на печатном монтаже. Была принята принципиально новая структура процесса изготовления плат, которая в семидесятые годы получила название «базовой технологии» и по аналогичной структуре созданы ныне действующие процессы аддитивных и субтрактивных технологий. Материалом подложки служил гетинакс, но с целью повышения его влагостойкости и электроизоляционных качеств заготовки плат покрывались с обеих сторон и торцев несколькими слоями эпоксидной смолы ЭП773. Операция называлась «облагораживание гетинаксов». Выбор эмали и технология окраски была разработана инженерами Гуревичем А.Е. и Прокофьевой М.Н.

Основные операции технологического процесса с их краткими характеристиками представлены ниже:

1. Резка заготовок на гильотинных ножницах.
2. Нанесение и сушка эпоксидной эмали.
3. Сверление отверстий по кондуктору с последующим зенкованием.
4. Гидроабразивная обработка заготовок.
5. Химическое меднение.
6. Нанесение защитного рисунка методом горячего тиснения красочной фольги.
7. Гальваническое меднение.
8. Гальваническое серебрение.
9. Удаление защитного рисунка.
10. Вытравливание слоя химически осажденной меди.

Необходимые пояснения отдельных операций.

Гидроабразивная обработка (операция 4) производилась с целью создания микрошероховатой поверхности для повышения сцепления последующих металлических слоев.

Операция 6: Тиснение красочной фольги применяют в полиграфии для получения надписей на переплете книг. Тиснение производится латунным штампом, нагретым до температуры 100-150, в котором путем фрезерования создаются дорожки, соответствующие проводникам на плате. Во время тиснения фольга прижимается к плате только выступающими местами штампа. Первый слой фольги - парафиновый плавится и второй - красочный слой отделяется от бумажной основы и прочно прилипает к плате, образуя защитный слой на пробельных местах. Проводниковые дорожки на плате остаются открытыми. Этот способ заменял собой использование сухих пленочных фо­торезистов, которые появились лишь через 15 лет. Применение жидких фоторезистов при наличии отверстий на плате исключалось, а методы сеткографии из-за отсутствия гальванических красок также невозможно было использовать. Следует заметить, что эта операция была самым слабым звеном в технологической схеме, так как неизбежная пористость защитного слоя приводила к так называемым «пробоям» при гальванических операциях, которые приходилось счищать .

Операция 8: Серебрение проводящего рисунка применено в качестве металлорезиста для проведения последующего вытравливания слоя химически осажденной меди, а также для обеспечения последующей пайки радиоэлементов. Серебрение осуществлялось в так называемом роданисто-синеро­дистом электролите, исследование свойств которого послужило предметом кандидатской диссертации автора.

Описываемый технологический процесс был защищен авторским свидетельством N 112441 от 4.07.1958г.

Производство печатных плат по данному способу характеризовалось весьма низким выходом годных плат, значительной затраты труда на зачистных операциях из-за «пробоев» защитного рисунка на гальванических операциях вследствие значительной пористости защитного красочного слоя. Однако описываемый процесс заслуживает внимания, как первый процесс серийного производства плат, который при использовании сухих пленочных фоторезистов послужил основой современных технологических процессов для субтрактивной и полуаддитивной технологии.

Для обеспечения эффективного внедрения новой технологии конструкторские бригады под руководством М.А.Тржецяка разработали комплект оборудования, в состав которого входили:

• карусельный полуавтомат АГ-15 для химического меднения;
• карусельный автомат АГ-7 для выполнения гальванических операций;
• гидроабразивная установка.

Для выполнения монтажно-сборочных работ была сконструирована и изготовлена полуавтоматическая линия установки электрорадиоэлементов на платы и пайки выводов погружением в расплавленный припой.

 

Период 1960-1965 гг. характеризовался широким распространением печатных плат в разработках новой радиоэлектронной аппаратуры и организацией многочисленных производств в опытном производстве НИИ, КБ и серийных предприятиях. К этому времени завод «Молдавизолит» приступил к серийному производству фольгированного стеклотекстолита, с хорошими электроизоляционными и другими необходимыми свойствами.

Изготовление печатных плат осуществлялось в двух вариантах: позитивный и негативный процессы, названные по характеру фотошаблонов. Позитивный процесс разрабатывался и применялся главным образом теми предприятиями, где «тон» задавали электрохимики (гальванотехника), а негативный процесс предпочитали полиграфисты и «случайные» участники производства печатных плат. В этот период еще на было пленочных фоторезистов, которые впоследствии обеспечили современную технологию, основанную на позитивном варианте. Кроме того отсутствие сверлильных станков с программным управлением, а также применение в качестве травителя раствора хлорного железа также препятствовало созданию более эффективных технологий. В нижеприведенной таблице представлены оба технологических варианта изготовления двухсторонних плат по основным операциям.

===T=============================T==============================¬
NN ¦     Позитивный процесс      ¦     Негативный процесс       ¦
пп ¦                             ¦                              ¦
===+=============================+==============================¦
1. ¦ Резка заготовок и зачистка  ¦ Резка заготовок и зачистка   ¦
   ¦ поверхности медной фольги   ¦ поверхности медной фольги.   ¦
---+-----------------------------+------------------------------¦
2. ¦ Фотопечать с позитива -     ¦ Фотопечать с негатива -      ¦
   ¦ проводниковые дорожки от-   ¦ проводниковые дорожки закрыты¦
   ¦ крыты, фоторезист закрывает ¦                              ¦
   ¦ пробельные места            ¦                              ¦
---+-----------------------------+------------------------------¦ 
3. ¦ Нанесение лаковой пленки    ¦ Травление меди в растворе    ¦
   ¦ типа АВ на обе стороны за-  ¦ хлорного железа              ¦
   ¦ готовки                     ¦                              ¦
---+-----------------------------+------------------------------¦
4. ¦ Сверление и зенкование от-  ¦ Нанесение лаковой пленки типа¦
   ¦ верстий, подлежащих метал-  ¦ АВ на обе стороны заготовки  ¦
   ¦ лизации по отпечатку в фо-  ¦                              ¦
   ¦ торезисте                   ¦                              ¦
---+-----------------------------+------------------------------¦
5. ¦ Химическое меднение         ¦ Сверление и зенкование отвер-¦
   ¦                             ¦ стий, подлежащих металлизации¦
   ¦                             ¦ по отпечатку в фоторезисте   ¦
---+-----------------------------+------------------------------¦
6. ¦ Удаление лаковой пленки     ¦ Химическое меднение          ¦
   ¦ вместе с осевшей на нее     ¦                              ¦
   ¦ медью                       ¦                              ¦
---+-----------------------------+------------------------------¦
7. ¦ Гальваническое меднение     ¦ Удаление лаковой пленки      ¦
   ¦ на обычных подвесочных      ¦ вместе с осевшей на нее      ¦
   ¦ приспособлениях             ¦ медью                        ¦
---+-----------------------------+------------------------------¦
8. ¦ Гальваническое серебрение   ¦ Гальваническое меднение в    ¦
   ¦ в роданисто-синеродистом    ¦ приспособлении, где контакт  ¦
   ¦ электролите (получение      ¦ создается прижатием медной   ¦
   ¦ металлорезиста)             ¦ фольги. Операция выполняется ¦
   ¦                             ¦ дважды с переворачиванием    ¦
   ¦                             ¦ платы                        ¦
---+-----------------------------+------------------------------¦
9. ¦ Травление меди в растворе   ¦ Покрытие проводящего рисунка ¦
   ¦ хлорного железа (хлорное    ¦ и стенок отверстий сплавом   ¦
   ¦ железо не растворяет сереб- ¦ Розе                         ¦
   ¦ ряное покрытие)             ¦                              ¦
===¦=============================¦=============================='

По трудоемкости оба варианта примерно одинаковы, если не считать, что гальваническое меднение в негативном варианте более сложная операция из-за необходимости переворачивания платы в приспособлении и применения таких приспособлений для каждого типо­размера плат. Качество плат, полученных по негативному варианту было значительно хуже по следующим причинам:

1. Метод предусматривал необходимость увеличение диаметра контактных площадок вокруг отверстий для того, чтобы они не отрывались при извлечении сверла и этим ограничивалась возможность увеличения плотности монтажа.
2. Гальваническое меднение производилось в условиях, когда отверстия заглушены медной фольгой приспособления и следовательно качество металлизации ухудшалось.
3. Облуживание сплавом Розе влекло небходимость флюсования в растворе соляной кислоты, которая при повышенных температурах пайки агрессивно воздействовала на диэлектрик из-за чего значительно снижается сопротивление изоляции диэлектрика.

Сторонники негативного процесса ставили в упрек разработчикам позитивного способа применение серебра, как драгметалла, в качестве металлорезиста. Противостояние двух технологий приводило к тому, что на различных совещаниях, семинарах и других мероприятиях дело доходило до ссор и не всегда этичных упреков. Объемы производства печатных плат в этот период стали резко возрастать, число предприятий, выпускающих аппаратуру на печатном монтаже значительно возросло и начал складываться работоспособный и инициативный коллектив специалистов в данной области, активно общавшихся между собой. Особую активность проявляли специалисты г.Москвы: В.А.Гуторов, Ю.М.Жук, А.И.Галыжников, Н.С.Тюрина, С.А.Шапиро, Э.М.Балакин.

Организации общества «Знание» и Дома техники в разных городах бывшего СССР начали проводить семинары, конференции и т.п. мероприятия, способствовавшие повышению квалификации технологов и обучению начинающих.

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ, В ТОМ ЧИСЛЕ И МНОГОСЛОЙНЫХ (1965-1975 гг.)

Если предыдущие периоды развития производства печатных плат можно было оценить как начальные («зачаточные»), то период 1965-1975 гг следует назвать периодом бурного расцвета, так как в этот период были проведены необходимые разработки и начато серийное производство необходимого оборудования и выпуск многих материалов. Тираспольский завод «Молдавизолит» приступил к выпуску фольгированного стеклотекстолита в количествах удовлетворяющих потребность страны. Казанский завод «Коммунар» освоил серийное производство сухих пленочных фоторезистов, как водопроявляемых, так и органопроявляемых. Головной технологический институт Минрадиопрома - ЦНИТИ (директор Е.П.Котов) организовал разработку ряда руководящих технических материалов (РТМ) по технологии производства печатных плат различного типа, в том числе и для многослойных печатных плат (МПП) различного типа - РТМ ЮГО.05.007. Ред.1-1969г. В разработанных РТМ был зафиксирован технический уровень производства печатных плат по состоянию на 1968-69 годы. Большую работу по обеспечению производства печатных плат выполнило СКБ радиоматериалов под руководством Н.Д.Белкина. Было организовано производство пленочных фоторезистов в г.Казани на заводе «Коммунар». Организовано также производство гаммы диэлектрических материалов, необходимых для изготовления печатных плат различного типа, включая и многослойные. Эта работа постоянно велась и все последующие годы. Тираспольский завод «Молдавизолит» приступил к выпуску в больших масштабах фольгированного стеклотекстолита, включая и тонкие фольгированные диэлектрики для производства многослойных печатных плат. В этот же период начали налаживаться деловые контакты с Западно-Европейскими фирмами Шмоль, Ганс Хольмюллер, Шеринг, Блазберг и др. У этих фирм приобретали главным образом оборудование для сверления отверстий в платах, для обработки пленочных фоторезистов, автоматических линий без гальванических процессов. Основными разработчиками технологии и оборудования были предприятия Министерства Радиопромышленности. Так большой коллектив Ленинградского ПО «Авангард» (директор О.А.Пятлин, главный конструктор Иткинсон В.Г.) разработал комплекс оборудования для струйной обработки плат по типу образцов фирмы «Chemcut» и помог в организации его серийного производства в г.Хмельницком (завод «Темп»). Разработан также комплект оборудования для нанесения, проявления и снятия пленочных фоторезистов по образцу фирмы «Dupont». Производство этого комплекта оборудования было организовано в г.Гомель (завод ГЗРТО). Ярославский завод «МАШПРИБОР» приступил к выпуску сверлильных станков с ЧПУ (СФ-2, СФ-4). Аналогичные виды оборудования, а также установки для экспонирования, трафаретной печати и т.д. разрабатывались в ПКБ приборостроения (г.Рязань), институтом электротехнической промышленности в г.Истра. Некоторые виды оборудования начали производить предприятия в городах Могилеве, Воткинске. В связи с намеченным выпуском в больших размерах средств вычислительной техники Минрадиопром (зам.министра Реут А.А.) принял решение о покупке целого завода по производству многослойных печатных плат (МПП) у Французской фирмы CII, которая спроектировала и организовала строительство завода в г.Минске, оснастив его полным комплектом необходимого оборудования для выпуска полмиллиона МПП в год. Ознакомление с опытом изготовления печатных плат в зарубежной технике, промышленный выпуск сухих пленочных фоторезистов и применение сверлильных станков с программным управлением определили необходимость создания в последующий период так называемого «базового технологического процесса» на основе электрохимической технологии. Этим было завершено многолетнее противостояние двух способов производства. «Победа» оказалась на стороне электрохимиков, а «побежденная» сторона завоевала прочное место в технологии производства бытовой радиоаппаратуры (телевизоры, радиоприемники). Применение сухих пленочных фоторезистов и сверлильных станков с программным управлением позволило в значительной степени упростить позитивный технологический процесс, исключив временное нанесение лаковой пленки перед химическим меднением и такую операцию, как сверление отверстий по отпечатку или через кондукторы. В качестве металлорезиста сохранилось серебрение в нецианистых (роданисто-синеродистых) элементах по той причине, что еще не было надежной технологии электролитического получения олово-свинцового сплава ПОС-60 да и широко применяемый раствор на основе хлорного железа растворял покрытие типа ПОС-60. Использование же персульфатных растворов в больших масштабах экологически не оправдывалось. К началу 70-х годов в основном завершились разработки новых травильных растворов на основе хлорной меди: солянокислых растворов для производства печатных плат бытовой радиоаппаратуры (негативные процессы) и аммиачно-хлоридных для плат с наносимым слоем металлорезиста типа ПОС-60 (оловянно-свинцовый сплав, содержащий 60% олова). В этот же период развитие проектирования и производства средств вычислительной техники вызвало необходимость применения многослойных печатных плат (МПП) и соответственно развитие технологии изготовления многослойных плат стало особо важной задачей. В сложившийся работоспособный коллектив разработчиков-технологов влились свежие силы способных и талантливых инженеров:
Галецкий Ф.П., Цыгин Н.В., Старикова Т.А. (ИТМ и ВТ), Скворцова Т.П., Жак Л.И., Прохоров В.Д. (ЦНИТИ), Фантгоф Ж.Н., Грекова Н.А., Иванова Л.В., Тимофеева И.В. (НПО «Авангард», г.Ленинград), Медведев А.М., Тюрина Н.С., Фомичев В.И. (НИЦЭВТ). Большую организаци­онную работу проводили сотрудники Минрадиопрома Гундобина Г.П., Калита Е.Д.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ (МПП)

Динамика развития технологических процессов изготовления МПП весьма интересна и поучительна; она прежде всего свидетельствует о необычайной изобретательности разработчиков, что способствовало быстрому развитию производства средств вычислительной техники для различных видов аппаратуры в условиях, когда отечественная промышленность еще не смогла обеспечить диэлектрические материалы требуемого качества для изготовления МПП классическим методом металлизации сквозных отверстий. Первые шаги в производстве МПП были сделаны в виде попытки получить многослойную композицию способом металлизации сквозных отверстий, как это принято делать на всех западных и Дальневосточных странах. Однако, как писал еще декабрист Одоевский на приветствие А.С.Пушкина «К мечам рванулись наши руки, но лишь оковы обрели». Дело в том, что по какой-то случайности в производстве диэлектриков в виде тонкого фольгированного стеклотекстолита и прокладочной стеклоткани были применены смолы реактивного типа (фенолформальдегидные), которые после полимеризации в процессе прессования пакета МПП, приобретали высокую химическую стойкость и, будучи размазанными при сверлении отверстий (смоляное наволакивание), не удалялись химическим воздействием. В результате этого при последующей химико-гальванической металлизации не получалось хороших контактов в межслойных соединениях (образовывались, как тогда говорили, «плавающие контакты»). Понадобилось некоторое время, пока по инициативе Ленинградского НПО «Авангард» при активном действии ведущего инженера Ива­новой Л.В. совместно с НИИ «Плаcтполимер» в очень короткие сроки (менее 1 года) были разработаны смолы эпоксидного характера и переданы заводу «Молдавизолит». Вскоре к материалам типа ФДМ была приставлена буква «Т», что означало «травящийся» - ФДМТ. В изданном в 1969 году Руководящем Техническом Материале Министерства (МРП) Юг0.054.007 «Платы печатные многослойные» в характеристике метода металлизации сквозных отверстий констатировалось: «Метод является простым и менее трудоемким, чем остальные, но для получения надежных межслойных соединений требует применение специальных диэлектриков (травящегося или активированного)». И, как на перспективу, в РТМ указывалось, что «метод позволяет изготавливать платы с количеством слоев до 6 и более». Кстати, когда в международном комитете МЭК по печатным платам (ТК-52) при обсуждении технических требований к «Материалам для производства МПП» рассматривалось наше предложение о прибавлении буквы «Т» (травящийся) к обозначению материала, оно было единогласно отклонено, как излишнее. Было также добавлено: «М-р Ильин, свойство быть травящимся - это естественное и необходимое свойство материала, что-то вроде того, как «вода должна быть жидкой». Между прочим, только один американский делегат, м-р Ларсен, все время допытывался у меня «в каких же случаях мы используем тонкие фольгированные диэлектрики на фенолформальдегидной основе?».

Приходилось уклоняться от правильного ответа, что, по-видимому, послужило предположением о каких-то «секретных» функциях материала. Тогда как это был типичный «ляп» в наших «разработках». В течение периода предшествовавшего появлению необходимых («травящихся») диэлектриков предприятиями использовались весьма оригинальные и чрезвычайно трудоемкие методы, краткая характеристика которых приведена ниже:

Метод попарного прессования.

Данный метод заключался в том, что на двух заготовках двустороннего фольгированного диэлектрика сначала выполнялся проводящий рисунок схемы внутренних слоев МПП негативным комбинированным способом. На каждой заготовке между рисунком схемы внутреннего слоя и сплошным слоем фольги наружного слоя выполнялись межслойные соединения в виде металлизированных отверстий, после чего полученные заготовки склеивались при помощи стеклоткани, пропитанной лаком. Рисунок схемы на наружных сторонах платы и межслойные соединения между ними выполнялись позитивным методом. Таким образом получалась 4-х слойная плата, в которой металлизированными отверстиями соединялись 1-й с 4-м слоем, и 2-й с 3-м. Этот метод был наиболее распространенным у разработчиков РЭА и считался надежным. Основной его недостаток заключался в невозможности получить многослойную плату с числом слоев более 4-х и в весьма значительной трудоемкости.

Метод послойного наращивания.

Метод предложен и разработан НИЦЭВТ'ом (автор Тюрина Н.С.). Технологический процесс очень сложный и описание его займет слишком много места, да и в этом нет необходимости. Достаточно лишь охарактеризовать основную идею данного способа, которая заключалась в том, что вместо химико-гальванической металлизации сквозных отверстий выращивались гальванически медные столбики, заполнявшие отверстия в диэлектрике. Эти столбики могли соединять проводники между любыми слоями и в любых сочетаниях. Метод позволял изготавливать платы с количеством слоев до пяти. Несмотря на сложность этого способа и очень длительный технологический цикл изготовления МПП, некоторые промышленные предприятия, например з-д «САМ им.Калмыкова» в г.Москве, изготавливал по этому способу МПП для своей продукции еще длительное время.

В настоящее время, когда МПП изготавливается с весьма большим количеством слоев и методы характеризуются высокой технологичностью, способ послойного наращивания служит свидетельством большого творческого энтузиазма и изобретательности технологов того времени.

Метод выступающих выводов.

Метод был разработан коллективом технологов НИИ-17 (г. Москва), в данном методе гальванические процессы не применялись. В начальный период изготовления МПП производился необходимый фольгированный материал посредством приклейки медной фольги к тонкому диэлектрику на основе стеклоткани, в котором прорубались несколько рядов квадратных окон размером 40х40 мм или что-то близкое к этому. Затем методом травления получали проводящий рисунок, причем в пределах каждого окна проводники заканчивались в виде узких медных полосок, провисающих над окном. После этого производилась склейка всех слоев в пакет причем в межслойном диэлектрике заранее прорубались аналогичные окна. В результате получалась многослойная композиция с узенькими проводниковыми ленточками в отдельных слоях. Эти ленточки соответственно и получили название выступающих выводов. Далее выводы, выступающие из всех слоев платы, отгибались на колодки, расположенные на наружной стороне платы. Межслойные соединения в этом методе отсутствуют и выводы элементов подсоединяются и припаиваются непосредственно к выводам пла­ты, расположенным на колодках. Таким образом на МПП данного типа устанавливались только навесные элементы с планарными выводами. Количество слоев получали до 15-ти.

Разнообразие различных способов изготовления многослойных плат, как очевидно из этой ситуации, сложившейся из-за отсутствия материалов с необходимыми свойствами, вызвало к жизни приведенные выше необычные способы изготовления МПП. Невольно вспоминается старая русская поговорка «Голь на выдумку хитра».

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ДВУХСТОРОННИХ И МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ (1973-1978 гг.)

Этот период характеризуется особенно быстрым развитием технологических процессов и приобщения их к уровню производства зарубежных фирм, что было обусловлено освоением производства диэлектриков в широком ассортименте на «Молдавизолите», выпуском сухих пленочных фоторезистов, производству современного оборудования и в значительной степени повышению знаний и опыта как технологов НИИ, КБ, так и серийных предприятий. Прежде всего исчезли различия в подходе к технологии изготовления двухсторонних печатных плат (ДПП) - прекратились дискуссии о методах изготовления и был создан единый, всеми признанный так называемый (в то время) «базовый» технологический процесс, применяющийся и по сей день во всех отраслях промышленности.

К наиболее крупным достижениям этого периода времени можно отнести следующие события:

• Создание единой структуры технологии изготовления ДПП и МПП;
• Отработка стабильных процессов химического меднения;
• Отработка наиболее эффективных процессов гальванического меднения и покрытия сплавом олово-свинец в качестве металлорезиста;
• Производство плат с повышенной плотностью монтажа на материале «Слофадит» (5-ти микронная медная фольга);
• Разработка полуаддитивной технологии;
• Освоение производства МПП на основе общепринятого метода металлизации сквозных отверстий.
• Стабилизация раствора химического меднения.

Длительное время предприятия имели весьма малые сроки использования растворов химического меднения из-за их недостаточной стабильности, а также из-за малого опыта инженерного состава в области химического восстановления меди из растворов на основе тартратов или трилонатов. Однако, вскоре эти трудности были преодолены, были отработаны рецептуры растворов меднения с хорошими стабилизаторами, например диэтилдитиокарбоматом и комплексными добавками, разработанными Литовским институтом химических технологий. Предприятия радиопромышленности получали значительную помощь от больших специалистов в области химического меднения Т.А.Стариковой (Москва) и Н.А.Грековой (Ленинград).

Много внимания также уделялось подготовительным операциям посредством разработки совмещенных растворов активации, содержащих малые концентрации дорогостоящего хлористого палладия (до 0,1 г/л) в совмещенных растворах сенсибилизации и активации диэлектрика.

Повышение эффективности гальванических процессов.

Применявшиеся предприятиями электролиты гальванического меднения в виде сульфатных или фторборатных электролитов имели ряд недостатков, главные из них:

• низкая рассеивающая способность, что не обеспечивало равномерной металлизации отверстий в печатных платах при отношении толщины платы к диаметру отверстий более чем 2:1;
• недостаточная эластичность слоя меди, что приводило к разрыву слоя металлизации в отверстиях при термоударах (например при пайке на волне припоя).

Особенно плохим качеством обладали осадки меди из борфтористоводородных электролитов, которыми многие увлекались в погоней за интенсификацией процесса меднения. Состав сульфатных электролитов кстати практически не отличался от составов, применявшихся более 100 лет тому назад Борисом Семеновичем Якоби, при разработке процессов гальванопластики. (Сульфат меди 250 г/л, кислота серная - 50 г/л). Сотрудники НПО «Авангард» (Ленинград совместно с кафедрой электрохимических производств Ленинградского технологического института (проф. Вячеславов П.М. и доцент Буркат Г.К.) разработали новый вариант сульфатного электролита с блескообразующей добавкой, получившей название "ЛТИ". Собственно добавку синтезировал сотрудник кафедры органической химии М.Л.Петров. На основании изучения состава ряда импортных добавок («Новатор», «Купразит» и др.). Добавка представляла собой продукт, получивший название «динатриевая соль дитиобисбензолсульфокислоты», ее формула NaSO S-S SONa. Довольно быстро удалось организовать производство этого ве­щества во Львовском институте материалов Минрадиопрома. Несколько позже, кстати и более высокого качества, начал выпускать эту добавку под названием БЭСМ опытный завод Ленинградского ГИПХа (Гос.институт прикладной химии). Электролит меднения был рекомендован следующего состава: сульфат меди 60-80 г/л, кислота серная 150-160 г/л и добавка «ЛТИ» 2 мл/л. Осадки меди получались гладкие, блестящие и что очень важно эластичные. По разработанному в то же время методу проверки эластичности по величине относительного удлинения при разрыве меди новый электролит меднения обеспечивал относительно удлинение 9-11%, тогда как в борфтороборатном электролите эта величина была равна 4-5,5%. Это свойство электролита особенно важно при изготовлении МПП, в которых слой металлизации в отверстиях должен быть особо эластичным. Проверки эластичности меди в производственных условиях показали, что она значительно снижается по мере эксплуатации электролита. Было установлено, что это является результатом накопления органических примесей вследствие «выщелачивания» органических веществ из пленочных фоторезистов. Снижение эластичности меди является сигналом к немедленной обработке электролита углем. Кроме добавки «ЛТИ» некоторыми предприятиями применялись такие добавки, как «Лимеды» (по разработке Латвийского института), «Меданит», «Новостар» и некоторые другие.

Металлорезист в виде гальванического сплава олово-свинец (ПОС-60) также подвергался существенной доработке, так как использование состава борфторатного электролита, рекомендованного в литературе по гальванике, не дало хороших результатов, главным образом из-за не стабильности состава и, как следствие этого, плохую растекаемость припоя при пайке выводов ЭРЭ на волне припоя. Последующие исследования показали, что различие в величине катодной плотности тока в отверстиях и на контактной площадке влияло на состав сплава на этих участках и добавки клея в электролит не обеспечивали стабильности содержания олова на различных участках проводящего рисунка. На основе материалов лицензии, купленной у фирмы «Шеринг-АГ» за 300 тыс.марок (Западный Берлин) были выполнены необходимые экспериментальные работы, которые завершились введением в состав электролита вместо клея двух добавок - синтанол ДС-10 и синтанол ДС-10 натрий, последняя была синтезирована во Львовском НИИ материалов Минрадиопрома. В этой работе организованной по инициативе НПО «Авнгард» активно участвовали его сотрудники - В.А.Терешкин и Б.М.Мильман. Добавки синтанола ДС-10 (ТУ 2-6-14-527-77) и синтанола ДС- нат­рий (ТУ АУЭО.028.007) обеспечивали необходимую структуру и стабильность сплава в широком интервале плотности тока. Позднее Литовский институт химии и химической технологии разработал процесс получения блестящего покрытия сплавом ПОС-60, процесс получил развитие на многих предприятиях. В период предшествовавший внедрению новых процессов получения стабильного по составу сплава олово-свинец, значительное распространение получило покрытие сплава олово-кобальт в качестве металлорезиста, в котором кобальта практически не было (0,005-0,05%), но это не «омрачало» ни разработчиков («Вымпел» г.Москва), ни потребителей, так как «выручало» применение дополнительного облуживания сплавом Розе, со всеми отрицательными последствиями такого решения.

ПРОИЗВОДСТВО ПЛАТ С ПОВЫШЕННОЙ ПЛОТНОСТЬЮ МОНТАЖА

Дальнейшее развитие процесса микроминиатюризации элементной базы естественно повлекло за собой необходимость увеличения плотности монтажа на двухсторонних печатных платах. Исследование фольгированного материала с толщиной медной фольги до 50 мкм ограничивало возможности уменьшения зазора между проводниками вследствие неизбежного бокового подтравливания. Первым шагом в направлении создания диэлектрика с тонкомерной медной фольгой был материал «слофадит». Название, весьма неудачное, дал изготовитель - завод слоистых пластиков. Название расшифровывалось следующим образом: «СЛО» - завод, «ф» - фольгированный, «аддит» - аддитив­ная технология (?). Толщина медной фольги - 5 мкм. При серийном производстве аналогичного материала заводом «Молдавизолит» материал был назван «СТПА» (стеклотекстолит для полуаддитива), тоже не совсем правильно. Технические условия на материал были выпущены лишь в 1980 году (ТУ 16-503-200-80). При использовании этого материала изготовители получили возможность довести плотность монтажа до зазора между проводниками 0,15-0,1 мм.

РАЗРАБОТКА ПОЛУАДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

По принятой на Западе технологии аддитивными способами изготовления печатных плат называют такие способы, в которых не применяют травления, а проводящий рисунок получают только химическим или другим способом осаждения металла (additio - сложение). В 1963 г. американская фирма Photocircuits начала производить печатные платы на катализированном нефольгированном диэлектрике, применяя толстостенное химическое меднение для получения проводящего рисунка (процесс СС-4). Несмотря на то, что технология отличалась значительной простотой, этот способ не получил большого распространения. Полуаддитивный способ предусматривает металлизацию таким слоем меди поверхности нефольгированного диэлектрика (включая просверленные предварительно монтажные и переходные отверстия) и после получения проводящего рисунка вытравливание меди с промежутков между проводниками. Классическим примером полуаддитивной технологии может служить электрохимический процесс изготовления печатных плат, разработанных в 1958 г. в НИТИ-18 и применявшийся в серийном производстве на Новгородском заводе. Повторное «рождение» полуаддитивного способа явилось результатом активной деятельности руководителя ОКБ завода «Марийский машиностроитель» в г.Йошкар-Ола В.И.Охотникова. По его инициативе и его активном участии на Тираспольском заводе «Молдавизолит» был разработан и организован выпуск нефольгированного стеклотекстолита СТЭК-1,5 (ТУ16-503.201-80). На обе стороны этого материала нанесен адгезионный слой из эпоксидно-каучуковой композиции толщиной 50 мкм, который перед химическим меднением подтравливается в растворе хромовой и серной кислот для повышения адгезии наносимого слоя меди химическим восстановлением меди. Полуаддитивный способ обеспечивал более высокую плотность монтажа (ширина проводников и зазор между ними до 0,15мм) однако он не нашел широкого применения главным образом из-за сложности подготовительных операций («набухание» и травление адгезионного слоя). Предприятия предпочитали приобретать более дорогой материал с тонкомерной фольгой (СТПА) и вести изготовление плат по типовому технологическому процессу. Аддитивный же метод, предусматривающий толстослойное химическое меднение и использование катализированного диэлектрика, несмотря на большие усилия Н.А. Грековой и ее сотрудников, не получил применения даже в мелкосерийном производстве. По мнению автора применение катализированного диэлектрика это возможное ухудшение электроизоляционных свойств особенно после длительного употребления в результате «старения» материала. Катализаторы в диэлектрике - это электропроводные частицы в слое затвердевшей смолы, они не могут не проявить себя со временем. Не случайно, что американский процесс СС-4 не используется для производства плат внешней аппаратуры.

ЗАВЕРШАЮЩИЙ ЭТАП ИСТОРИИ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ (1978-1990 гг.)

В начальные годы этого периода 1978-80 гг. производство всех видов печатных плат вышло на уровень более или менее соответствующий уровню мировой техники. Весь накопленный положительный опыт в технологии производства печатных плат был отражен в руководящем технологическом материале в виде отраслевого стандарта ОСТ 107.460092.004.01-86. Авторский коллектив возглавляемый В.А. Терешкиным в составе ведущих специалистов НПО «Авангард» Фантгоф Ж.Н., Грековой Н.А., Миронюк Г.В., Кондратьев А.И., сумела весьма четко аккумулировать опыт производства печатных плат, накопленный отдельными разработчиками и промышленными предприятиями бывшего Советского Союза.

Кроме четкого описания изготовления плат бытовой радиоаппаратуры, двухсторонних печатных плат в различных вариантах: субтрактивной и полуаддитивной технологии, методов контроля и приготовления многочисленных растворов значительное внимание уделено производству многослойных плат способов металлизации, сквозных отверстий. Однако, наиболее критичная операция - очистка отверстий от смольного наволакивания предусматривалась одним методом - травления в горячей серной кислоте с добавлением плавиковой. Не получили еще применявшиеся на заводе процессы типа «Смобк» (SMOBC), горячее облуживание по типу Левельэр (Levelair) и некоторые другие операции, по которым отечественная промышленность еще не накопила опыта.

Дальнейшее развитие технологии производства многослойных печатных плат последовало позднее (1980-1990 гг.)

РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Освоение производства «Травящегося» диэлектрика в виде тонких фольгированных и прокладочных материалов позволило «сдать в архив» весь комплект громоздких технологических процессов изго­товления МПП, применявшихся до этого времени и приступить к освоению широко распространенному во всем мире процессу изготовления методом металлизации сквозных отверстий. Опыт изготовления плат постепенно совершенствовался, возрастало число слоев от 4-5-ти до 10-12-ти; улучшалось качество прессования: повсеместно стали заменять Оренбургские пресса на импортные (Burklе, Passadena), в которых нет большого разброса по величине температуры плит и давления. Для сверления отверстий, как правило использовались станки с программным управлением «Шмоль», «Эдванс-контроль» и др. Научились получать межслойное соединение достаточно эластичным слоем гальванически осажденной меди. Однако, одна из наиболее ответственных операций - удаление смольного наволакивания в отверстиях МПП производилось наименее совершенным способом - травлением в серной кислоте. Главный недостаток заключался в том, что при промывке плат после травления в серной кислоте в отверстиях образовывался железообразный слой продуктов гидролиза, а также наличие остатков клея, на которых серная кислота не оказывает воздействия. По этой причине в технологии предусматривалась двухкратная гидроабразивная обработка пульпой, содержащей электрокорунд М40 в отношении с водой 1:4, под давлением 0,4-0,5 МПа. Подобный способ обработки отверстий в МПП сохранился в нормативно-технической документации до настоящего времени. Так в представленном выше отраслевом стандарте Минрадиопрома ОСТ 107.460092.004.01-86. Других способов обработки отверстий, как например перманганатный химический, отраслевой стандарт не предусматривает. Более совершенные методы изготовления многослойных печатных плат с большим числом слоев и очень высокой плотностью монтажа созданы в Институте точной механики и вычислительной техники, коллективом, возглавляемым д.т.н. Францем Петровичем Галецким. Но это уже не история - а достижение современности!

к.т.н.   В.А. Ильин.