RU2765105C1

RU2765105C1 - Method for manufacturing high-frequency printed circuit boards

Info

Publication number: RU2765105C1
Application number: RU2021101438A
Authority: RU
Inventors: Николай Владимирович Луконин; Сергей Анатольевич Толмачёв; Андрей Глебович Масанов; Вадим Юрьевич Изотов; Владимир Сергеевич Катышев
Original assignee: Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф.Решетнёва»
Priority date: 2021-01-25
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2022-01-25

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of radioelectronic engineering and can be used in manufacture of printed circuit boards of various radioelectronic equipment and radioelectronic apparatuses with preset radiotechnical characteristics, including high-frequency radioelectronic equipment of space vehicles, operating under the impact of conditions of space, with long duration of active existence. The result is achieved by the fact that, in the method for manufacturing HF PCB, including formation of a topological pattern of conductors on a foiled material by the photolithography method using a photo template, in PCB containing sections providing the required RTC of the HF PCB, part of the PCB intended for REP installation is executed using a photoimageable protective soldering mask PSM. A PSM is therein applied to the surface of the PCB with a topological conductor pattern, using an additional photo template, by exposure and subsequent developing windows are formed in the PSM, the contours and placement whereof correspond to the points of installation of the REP terminals forming the CP for soldering the REP terminals in the HF PCB sections providing the required RTC of the HF PCB.

EFFECT: creation of a method for manufacturing high-frequency printed circuit boards (HF PCB), providing a possibility of forming, in the areas of HF PCB ensuring the required radiotechnical characteristics (RTC) thereof, contact platforms (CP) for mounting the terminals of radioelectronic products (REP) allowing a reliable soldered connection of the terminals of REP and HF PCB CP while complying with the required RTC of the HF PCB.

6 cl

Description

Изобретение относится к области радиоэлектронного машиностроения и может быть использовано при изготовлении печатных плат различной радиоэлектронной аппаратуры и радиоэлектронных устройств ответственного и бытового назначения, включая высокочастотную радиоэлектронную аппаратуру космических аппаратов, работающую при воздействии условий космического пространства, с большими сроками активного существования, и направлено на оптимизацию конструкции радиоэлектронной аппаратуры, улучшение габаритно-массовых показателей и технологичности в производстве современных образцов космической техники. Изобретение может быть использовано и в других областях техники, где изготавливают и применяют радиоэлектронную аппаратуру с заданными радиотехническими характеристиками и уменьшенными затратами при производстве. The invention relates to the field of radio-electronic engineering and can be used in the manufacture of printed circuit boards for various electronic equipment and radio-electronic devices for responsible and domestic purposes, including high-frequency radio-electronic equipment for spacecraft, operating under the influence of outer space conditions, with long periods of active existence, and is aimed at optimizing the design radio-electronic equipment, improvement of overall weight indicators and manufacturability in the production of modern samples of space technology. The invention can also be used in other areas of technology, where radio-electronic equipment with specified radio-technical characteristics and reduced production costs are manufactured and used.

Известен способ изготовления двусторонней печатной платы (ПП) по патенту RU 2138931 C1, путем выполнения на пластине из нефольгированного диэлектрика углублений для переходных отверстий, а также рисунка углублений с плоским дном для проводников и контактных площадок (КП) методом механического фрезерования с последующей металлизацией с двух сторон полученной заготовки слоем меди и формированием заданной конструктивной и электрической структуры платы. A known method of manufacturing a double-sided printed circuit board (PCB) according to patent RU 2138931 C1, by making recesses for vias on a non-foiled dielectric plate, as well as a pattern of recesses with a flat bottom for conductors and contact pads (CP) by mechanical milling, followed by metallization from two sides of the resulting workpiece with a layer of copper and the formation of a given structural and electrical structure of the board.

Недостатком способа является то, что для формирования печатных проводников ПП и КП ПП применяют метод механического фрезерования с последующей металлизацией с двух сторон полученной заготовки слоем меди, что требует применения высокоточного дорогостоящего оборудования. При этом требования к радиотехническим характеристикам (РТХ) ПП, выполненных указанным способом не предъявляются.The disadvantage of this method is that the method of mechanical milling is used to form printed conductors of PP and KP PP, followed by metallization on both sides of the resulting workpiece with a layer of copper, which requires the use of high-precision expensive equipment. At the same time, no requirements are imposed on the radio technical characteristics (RTC) of software products made in this way.

Известен способ изготовления ВЧ ПП по патенту RU 2572359 C2, при котором ПП изготавливаются методом нанесения на изоляционную поверхность подложки слоя металлокомплексного соединения в виде тонкой пленки из раствора или испарением в вакуумной камере (возгонкой) из твердой фазы с последующим лазерным формированием рисунка проводников и КП ПП. После окончания цикла лазерного сканирования оставшееся металлоорганическое соединение удаляют методом промывания подложки растворителем.A known method of manufacturing high-frequency PCBs according to patent RU 2572359 C2, in which PCBs are made by applying a layer of a metal complex compound on the insulating surface of the substrate in the form of a thin film from a solution or by evaporation in a vacuum chamber (sublimation) from the solid phase, followed by laser formation of a pattern of conductors and PCB PCB . After the end of the laser scanning cycle, the remaining organometallic compound is removed by washing the substrate with a solvent.

К недостаткам способа следует отнести принципиальную невозможность создания КП для монтажа электрорадиоизделий (ЭРИ) на части ВЧ ПП, отвечающих за обеспечение требуемых РТХ на экранах, полигонах, шинах питания, полосковых линиях и других участках ПП, с целью обеспечения возможности монтажа выводов ЭРИ и предотвращения растекания припоя (паяльной пасты) по поверхности медной фольги при пайке, что ухудшает РТХ ВЧ ПП, вызывает необходимость в дополнительном нагреве области пайки выводов ЭРИ на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики ПП. The disadvantages of the method include the fundamental impossibility of creating a CP for mounting electrical and radio products (ERP) on parts of the RF PP, responsible for providing the required RTH on screens, polygons, power buses, strip lines and other sections of the PP, in order to ensure the possibility of mounting the ERP outputs and preventing spreading solder (solder paste) on the surface of the copper foil during soldering, which worsens the RTX of the RF PP, necessitates additional heating of the soldering area of the ERI leads in areas that provide the radio technical characteristics of the PP.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является общеизвестный способ изготовления ПП (авт. св. СССР №558431, H05K 3/06, 1977), включающий формирование топологического рисунка проводников и КП ПП на медной фольге методом фотолитографии с использованием фотошаблона и последующим травлением рисунка проводников и КП ПП в травильном растворе. КП – часть проводящего рисунка ПП, используемая для электрического подсоединения устанавливаемых изделий электронной техники, квантовой электроники и электротехнических изделий. Контактная площадка ПП физически представляет собой участок медной фольги ПП определенного размера, геометрически соотносящегося с размерами вывода (как правило, прямоугольной или круглой формы) конкретного ЭРИ, вытравленный в травильном растворе. Форма КП ее размеры, способ соединения КП с проводящим рисунком влияют на РТХ. Известный способ принят в качестве прототипа.The closest to the claimed technical solution is the well-known method of manufacturing PCB (ed. St. USSR No. 558431, H05K 3/06, 1977), including the formation of a topological pattern of conductors and PCB PCB on copper foil by photolithography using a photomask and subsequent etching of the conductor pattern and KP PP in pickling solution. KP - part of the conductive pattern of the PCB, used for electrical connection of installed electronic equipment, quantum electronics and electrical products. The contact pad of the PCB is physically a section of the copper foil of the PCB of a certain size, geometrically correlated with the dimensions of the output (usually rectangular or round) of a particular ERI, etched in an etching solution. The shape of the CP, its dimensions, the method of connecting the CP with a conductive pattern affect the RTX. The known method is adopted as a prototype.

К недостаткам данного способа формирования КП следует отнести принципиальную невозможность создания КП на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики ПП, с целью припаивания выводов ЭРИ к ПП и обеспечения заданных радиотехнических характеристик. Отсутствие таких КП увеличивает неоднородности на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики ПП, увеличивает потери сигнала, ухудшает РТХ. При припаивании выводов ЭРИ к полигону ВЧ ПП, шине питания ВЧ ПП без КП припой (паяльная паста) растекается по финишному покрытию ПП (медной фольге), галтели в зоне пайке выводов ЭРИ не образуются, что снижает механическую прочность соединений, наличие припоя в местах для этого не предназначенных ухудшает РТХ, пайка на сплошной полигон требует дополнительного нагрева области пайки выводов ЭРИ. Способ обладает повышенной сложностью и трудоемкостью при изготовлении, приводит к увеличению цикла изготовления электронных модулей, увеличивает расход электрической энергии в производственном процессе; увеличение времени пайки снижают ресурс и надежность платы. The disadvantages of this method of forming a CP include the fundamental impossibility of creating a CP in areas that provide the radio technical characteristics of the PCB, in order to solder the ERI leads to the PCB and provide the specified radio technical characteristics. The absence of such CP increases the inhomogeneities in the areas that provide the radio technical characteristics of the PP, increases the signal loss, and worsens the RTX. When soldering the ERI leads to the HF PP polygon, the power bus of the HF PP without CP, the solder (solder paste) spreads over the PP finish coating (copper foil), fillets in the soldering area of the ERI leads are not formed, which reduces the mechanical strength of the joints, the presence of solder in places for this is not intended to impair the RTX, soldering to a continuous range requires additional heating of the soldering area of the ERI leads. The method has increased complexity and laboriousness in manufacturing, leads to an increase in the manufacturing cycle of electronic modules, increases the consumption of electrical energy in the production process; an increase in soldering time reduces the resource and reliability of the board.

Для заявленного способа выявлены основные общие с прототипом существенные признаки: способ изготовления ВЧ ПП, включающий формирование топологического рисунка проводников на фольгированном материале методом фотолитографии, с использованием фотошаблона.For the claimed method, the main common essential features with the prototype have been identified: a method for manufacturing an RF PP, including the formation of a topological pattern of conductors on a foil material by photolithography using a photomask.

ВЧ ПП кроме обычных электрических характеристик должна обеспечивать требуемые РТХ, т.е. заданное волновое сопротивление, заданный коэффициент стоячей волны, потери и другие высокочастотные параметры, обеспечить качественный монтаж ЭРИ (высокий ресурс, надежность, длительный срок эксплуатации соединений). RF PP, in addition to the usual electrical characteristics, must provide the required RTX, i.e. given wave impedance, given standing wave ratio, losses and other high-frequency parameters, ensure high-quality installation of ERI (high resource, reliability, long service life of connections).

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание нового способа изготовления ВЧ ПП, позволяющего создать КП для припаивания выводов ЭРИ к ПП на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики, отличающегося простотой, технологичностью и надежностью при обеспечении заданных РТХ.The technical problem to be solved by the claimed invention is the creation of a new method for the manufacture of high-frequency PCBs, which makes it possible to create a CP for soldering ERI leads to PCBs in areas that provide radio technical characteristics, characterized by simplicity, manufacturability and reliability while providing the specified performance characteristics.

Техническая проблема решается за счет того, что в известном способе изготовления высокочастотных печатных плат, включающем формирование топологического рисунка проводников на фольгированном материале методом фотолитографии с использованием фотошаблона, согласно заявленному изобретению в печатных платах, содержащих участки, обеспечивающие радиотехнические характеристики, часть контактных площадок, предназначенных для монтажа ЭРИ, выполняют с помощью фотопроявляемой защитной паяльной маски (ЗПМ) без травления рисунка КП, для чего на поверхность ПП наносят ЗПМ, с помощью дополнительного фотошаблона с рисунком КП осуществляют экспонирование ЗПМ, ее последующее проявление и образование КП на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики ПП с обеспечением требуемых радиотехнических характеристик. При этом в качестве ЗПМ возможно использовать или жидкую, или твердую, или термоотверждаемую, или УФ-отверждаемую ЗПМ, а также их различную комбинацию.The technical problem is solved due to the fact that in the known method of manufacturing high-frequency printed circuit boards, including the formation of a topological pattern of conductors on a foil material by photolithography using a photomask, according to the claimed invention in printed circuit boards containing sections that provide radio characteristics, part of the pads intended for installation of ERI is performed using a photo-developable protective solder mask (PSM) without etching the CP pattern, for which purpose the PM is applied to the surface of the PCB, with the help of an additional photomask with a PC pattern, the PCM is exposed, its subsequent development and the formation of the PC in areas that provide the radio technical characteristics of the PCB with the provision of the required radio technical characteristics. At the same time, it is possible to use either liquid, or solid, or thermosetting, or UV-curing PAM, as well as their various combinations, as an SPM.

Сущность изобретения.The essence of the invention.

При изготовлении ВЧ ПП контактные площадки, которые должны быть расположены на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики ПП и предназначенных для монтажа ЭРИ, формируются не с помощью фотошаблона и последующего травления фольгированного материала (например, стеклотекстолита с припрессованной медной фольгой) в травильном растворе, а с помощью фотопроявляемой защитной паяльной маски, наносимой на поверхность ПП. При этом в ЗПМ с помощью дополнительного фотошаблона путем экспонирования и последующего проявления формируются окна с отсутствием ЗПМ. Контуры, форма окон в ЗПМ и их расположение должны соответствовать размерам мест установки выводов ЭРИ с учетом заполнения КП необходимым количеством припоя (паяльной пасты) для образования галтелей на выводах ЭРИ и обеспечения высоконадежных паяных соединений. В качестве ЗПМ может использоваться, например, двухкомпонентная термоотверждаемая жидкая сеткографическая фотопроявляемая защитная паяльная маска, или подобные ей материалы, как твёрдые, так и жидкие, а также отверждаемые ультрафиолетовым (УФ) излучением. Выбор ЗПМ зависит от технических требований к ПП. Контактные площадки ПП, сформированные с помощью ЗПМ на медной фольге, в процессе монтажа ЭРИ (при пайке выводов) препятствуют растеканию припоя (паяльной пасты) за границы рисунка ЗПМ, препятствуют смещению выводов ЭРИ относительно контактных площадок ПП за счет удержания выводов ЭРИ силами поверхностного натяжения припоя (паяльной пасты) ЭРИ в зонах окон (контактных площадок) ЗПМ, предупреждают эффект типа «надгробного камня» за счет улучшения смачивания припоем (паяльной пастой) КП ПП, способствуют образованию галтелей на выводах ЭРИ, образуя высоконадежные паяные соединения. Кроме того, при таком способе организации КП ПП, становится возможен монтаж развязывающих ЭРИ в цепях, электрически между собой не связанных (шины питания, полигоны и др.).In the manufacture of high-frequency PCBs, contact pads, which should be located in areas that provide the radio-technical characteristics of the PCB and are intended for mounting ERI, are formed not with the help of a photomask and subsequent etching of the foil material (for example, fiberglass with pressed copper foil) in an etching solution, but with the help of a photo-developable protective solder mask applied to the surface of the PCB. At the same time, windows with no ZPM are formed in the PAZ using an additional photomask by exposure and subsequent development. The contours, the shape of the windows in the PZM and their location must correspond to the size of the places where the ERI leads are installed, taking into account the filling of the CP with the necessary amount of solder (solder paste) to form fillets on the ERI leads and provide highly reliable solder joints. As an PAM, for example, a two-component, thermoset, liquid, reticle-graphic, photo-developable protective solder mask, or similar materials, both solid and liquid, and also curable with ultraviolet (UV) radiation, can be used. The choice of the SPM depends on the technical requirements for the PP. The contact pads of the PCB, formed with the help of the PSM on copper foil, during the installation of the ERI (when soldering the leads) prevent the spreading of the solder (solder paste) beyond the boundaries of the PSM pattern, prevent the displacement of the ERI leads relative to the contact pads of the PCB due to the retention of the ERI leads by the forces of the surface tension of the solder (solder paste) ERI in the areas of windows (contact pads) of the PSM, prevent the effect of the "tombstone" type by improving the wetting of the solder (solder paste) KP PP, contribute to the formation of fillets on the findings of the ERI, forming highly reliable solder joints. In addition, with this method of organizing the CP PP, it becomes possible to install decoupling ERI in circuits that are not electrically connected to each other (power buses, polygons, etc.).

В качестве примера ниже приведен способ изготовления ВЧ ПП (в отличающейся от прототипа части) с применением конкретных параметров в виде последовательности технологических операций. В качестве ЗПМ может быть использована двухкомпонентная термоотверждаемая жидкая сеткографическая фотопроявляемая защитная паяльная маска:As an example, below is a method for manufacturing RF PP (in a part different from the prototype) using specific parameters in the form of a sequence of technological operations. A two-component thermoset liquid reticle photodevelopable protective solder mask can be used as a PAM:

1. Приготовление ЗПМ: выдержка ЗПМ в нормальных условиях (НУ) и перемешивании ЗПМ до состояния требуемой вязкости, выполняется при неактиничном освещении; 1. Preparation of the PMA: exposure of the PMA under normal conditions (NU) and mixing of the PMA to the state of the required viscosity, is performed under non-actinic lighting;

2. Изготовление дополнительного фотошаблона для нанесения рисунка КП на ЗПМ;2. Production of an additional photomask for drawing a KP pattern on the ZPM;

3. Нанесение ЗПМ толщиной 18-20 мкм на поверхность ПП, выполняется при неактиничном освещении;3. Application of PAM with a thickness of 18-20 microns on the surface of the PP, is performed under non-actinic lighting;

4. Сушка ПП с ЗПМ в термошкафу при температуре плюс 75-80 °С в течение 40 мин, выполняется при неактиничном освещении;4. Drying of PP with PAM in a heating cabinet at a temperature of plus 75-80 ° C for 40 minutes, performed under non-actinic lighting;

5. Охлаждение ПП с ЗПМ до НУ;5. Cooling of PP with ZPM to NU;

6. Экспонирование ЗПМ с использованием дополнительного фотошаблона, выполняется на установке экспонирования при актиничном освещении в течение 40-50 с;6. Exposure of the PAM using an additional photomask is performed on the exposure unit under actinic illumination for 40-50 s;

7. Проявление ЗПМ, выполняется в установке проявления при неактиничном освещении;7. The development of the PAM, is performed in the development setting with non-actinic lighting;

8. Промывка ПП, и удаление проявленных участков ЗПМ;8. Washing of the PP, and removal of the developed areas of the PAZ;

9. Контроль качества КП, сформированными ЗПМ. Ретуширование КП при необходимости (при обнаружении дефектов); 9. Quality control of the CP formed by the PMA. CP retouching if necessary (if defects are detected);

10. Задубливание ЗПМ в термошкафу при температуре 150±5 °С;10. Hardening of the ZPM in a heating cabinet at a temperature of 150±5 °C;

11. Охлаждение ПП с ЗПМ до НУ;11. Cooling of PP with ZPM to NU;

12. Контроль качества КП, сформированными ЗПМ;12. Quality control of the CP formed by the ZPM;

13. Упаковывание готовой ПП.13. Packing of finished software.

Таким образом, способ изготовления ВЧ ПП позволяет изготовить ВЧ ПП с требуемыми РТХ, например, с заданными волновым сопротивлением, коэффициентом стоячей волны, потерями и другими ВЧ параметрами без травления рисунка КП в травильном растворе; сформировать на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики ПП, контактные площадки для монтажа выводов ЭРИ и выполнить последующий монтаж поверхностно-монтируемых ЭРИ на таких КП без растекания припоя (паяльной пасты) за пределы КП по поверхности таких участков, обеспечивающих радиотехнические характеристики: полигонов, шин питания, с минимизацией смещения выводов ЭРИ относительно границ КП ПП и предупреждением эффекта типа «надгробного камня», проявляющегося при плохом смачивании припоем (паяльной пастой) КП ПП или выводов ЭРИ, без дополнительного нагрева зоны пайки, что позволяет сформировать высоконадежное паяное соединение выводов ЭРИ и КП ПП при соблюдении требуемых РТХ, снизить время температурного воздействия на ПП. Thus, the method of manufacturing RF PP allows to produce HF PP with the required RTX, for example, with a given wave impedance, standing wave ratio, losses and other RF parameters without etching the CP pattern in the etching solution; to form on the sections that provide the radio-technical characteristics of the PCB, contact pads for mounting the RRI leads and perform the subsequent installation of surface-mounted RRIs on such CPs without spreading solder (solder paste) outside the CP on the surface of such sections that provide radio-technical characteristics: polygons, power buses, minimizing the displacement of ERI leads relative to the boundaries of the CP PP and preventing the effect of the "tombstone" type, which manifests itself in case of poor wetting with solder (solder paste) of the CP PP or the conclusions of the ERI, without additional heating of the soldering zone, which makes it possible to form a highly reliable soldered connection of the ERI and CP PP leads subject to the required RTX, reduce the time of temperature exposure to the PP.

Claims

1. A method for manufacturing high-frequency printed circuit boards (HF PCB), including the formation of a topological pattern of conductors on a foil material by photolithography using a photomask, characterized in that in PCB containing sections that provide the required radio characteristics (RTC) of RF PCB, part of the contact pads ( KP) intended for the installation of electrical and radio products (ERI) are performed using a photo-developable protective solder mask (PSM), for which purpose PSM is applied to the surface of the PP with a topological pattern of conductors, with the help of an additional photomask, by exposure and subsequent development in the PSM, windows, contours and the location of which corresponds to the places of installation of the ERI leads, forming a CP for soldering the ERI leads in the sections of the RF PP, providing the required RTH of the HF PP.

2. The method according to p. 1, characterized in that the liquid SPM is used as the SPM.

3. The method according to p. 1, characterized in that the solid PMA is used as the PMA.

4. The method according to p. 1, characterized in that the thermosetting PAM is used as the PAM.

5. The method according to p. 1, characterized in that the UV curable PMG is used as the PTA.

6. The method according to claim 1, characterized in that a combination of liquid, solid, thermoset, and UV-curable PAM is used.