Помощь студентам в учебе
Разработка технологии и оборудования вакуумной металлизации полимерных пленок для производства гибких печатных плат (05.27.06).
|
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ВАКУУМНОЙ
МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК 9
1.1. Современное состояние производства гибких печатных плат 10
1.1.1. Классификация гибких печатных плат 10
1.1.2. Особенности технологий изготовления гибких
печатных плат 12
1.2. Технологические методы и оборудование для нанесения проводящего слоя на полимерную пленку. 19
1.2.1. Вакуумное нанесение покрытий на полимерную
пленку 19
1.2.2. Технологические методы вакуумного нанесения покрытий 22
1.2.3. Состояние разработок технологического оборудования вакуумной металлизации полимерной пленки 22
1.3. Методы повышения адгезионной способности покрытий 36
1.3.1. Механизмы возникновения адгезионной способности 36
1.3.2. Методы повышения адгезионной способности покрытий. 39 Выводы и постановка задачи 41
ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКО¬АДГЕЗИОННОГО СЛОЯ МЕТАЛЛА К ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРА 44
2.1. Физико-химические процессы, протекающие при воздействии плазмы на полимерные материалы 44
2.2. Теоретический анализ процесса развития рельефа плоской поверхности 55
2.3. Разработка физической модели формирования высокоадгезионного слоя металла к поверхности полимера 61
ГЛАВА 3.
ГЛАВА 4.
3
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ПРОВЕРКА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 64
3.1. Разработка образца экспериментального оборудования вакуумной металлизации полимерных пленок для производства гибких печатных плат 64
3.2. Система перемотки экспериментальной установки 68
3.2.1. Описание лентопротяжного механизма 68
3.2.2. Разработка конструкции барабана 69
3.2.3. Шибер-заслонка 76
3.3. Источники модификации и металлизации полимерной пленки. 78
3.3.1. Конструкция ионного источника 78
3.3.2. Конструкция магнетронного источника 82
3.4. Методика проведения эксперимента 91
3.5. Исследование адгезионной способности проводящих слоев к политетрафторэтилену. 94
3.5.1. Исследование модификации поверхности ПТФЭ плазмохимической обработкой 94
3.5.2. Исследование адгезионной способности проводящих
слоев к ПТФЭ 100
РАЗРАБОТКА ОБРАЗЦА ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ И ТЕХНОЛОГИИ ВАКУУМНОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГИБКИХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 104
4.1. Вакуумная система и система перемотки промышленной установки 105
4.1.1. Описание вакуумной системы, 105
4.1.2. Описание системы перемотки. 105
4.1.3. Описание конструкции барабана 108
4.2. Источники модификации и металлизации полимерной пленки. 111
4.2.1. Протяженный ионный источник 111
4.2.2. Протяженный магнетронный источник 112
4
4.3. Разработка технологии вакуумной металлизации 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123
ЛИТЕРАТУРА 125
ПРИЛОЖЕНИЯ
134
МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК 9
1.1. Современное состояние производства гибких печатных плат 10
1.1.1. Классификация гибких печатных плат 10
1.1.2. Особенности технологий изготовления гибких
печатных плат 12
1.2. Технологические методы и оборудование для нанесения проводящего слоя на полимерную пленку. 19
1.2.1. Вакуумное нанесение покрытий на полимерную
пленку 19
1.2.2. Технологические методы вакуумного нанесения покрытий 22
1.2.3. Состояние разработок технологического оборудования вакуумной металлизации полимерной пленки 22
1.3. Методы повышения адгезионной способности покрытий 36
1.3.1. Механизмы возникновения адгезионной способности 36
1.3.2. Методы повышения адгезионной способности покрытий. 39 Выводы и постановка задачи 41
ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКО¬АДГЕЗИОННОГО СЛОЯ МЕТАЛЛА К ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРА 44
2.1. Физико-химические процессы, протекающие при воздействии плазмы на полимерные материалы 44
2.2. Теоретический анализ процесса развития рельефа плоской поверхности 55
2.3. Разработка физической модели формирования высокоадгезионного слоя металла к поверхности полимера 61
ГЛАВА 3.
ГЛАВА 4.
3
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ПРОВЕРКА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 64
3.1. Разработка образца экспериментального оборудования вакуумной металлизации полимерных пленок для производства гибких печатных плат 64
3.2. Система перемотки экспериментальной установки 68
3.2.1. Описание лентопротяжного механизма 68
3.2.2. Разработка конструкции барабана 69
3.2.3. Шибер-заслонка 76
3.3. Источники модификации и металлизации полимерной пленки. 78
3.3.1. Конструкция ионного источника 78
3.3.2. Конструкция магнетронного источника 82
3.4. Методика проведения эксперимента 91
3.5. Исследование адгезионной способности проводящих слоев к политетрафторэтилену. 94
3.5.1. Исследование модификации поверхности ПТФЭ плазмохимической обработкой 94
3.5.2. Исследование адгезионной способности проводящих
слоев к ПТФЭ 100
РАЗРАБОТКА ОБРАЗЦА ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ И ТЕХНОЛОГИИ ВАКУУМНОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГИБКИХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 104
4.1. Вакуумная система и система перемотки промышленной установки 105
4.1.1. Описание вакуумной системы, 105
4.1.2. Описание системы перемотки. 105
4.1.3. Описание конструкции барабана 108
4.2. Источники модификации и металлизации полимерной пленки. 111
4.2.1. Протяженный ионный источник 111
4.2.2. Протяженный магнетронный источник 112
4
4.3. Разработка технологии вакуумной металлизации 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123
ЛИТЕРАТУРА 125
ПРИЛОЖЕНИЯ
134
Актуальность работы. Печатные платы (ПП) применяются практически во всех отраслях народного хозяйства, и потребность в них постоянно возрастает. Опережающие темпы развития радиоэлектроники и микроэлектроники требуют непрерывного повышения их технического уровня, который определяется ростом плотности монтажа электрорадиоэлементов (ЭРЭ), повышением требований к надежности, увеличением рабочей частоты, обеспечением помехозащищенности и др. Реализация этих требований зависит от достижений в области конструирования и развития технологии производства ПП. Это в свою очередь приводит к необходимости разработки новых материалов, конструкций и технологических процессов их изготовления.
Перспективным направлением в технологии печатных плат является разработка и производство гибких печатных плат (ГПП), обладающих следующими преимуществами по сравнению с жесткими ПП:
• упрощение компоновки и уменьшение объема электронной аппаратуры до 50%;
• высокая надежность;
• лучшие электрические характеристики;
• лучшее рассеивание теплоты;
• динамическая гибкость;
• возможность придания ГПП формы корпуса сложной конфигурации;
• технологичность конструкции и экономичность технологического процесса изготовления ГПП вследствие применения рулонной технологии.
В качестве материалов для изготовления гибких печатных плат применяют фольгированные и нефольгированные полиимид и полиэтилентерефталат.
Перспективным материалом для изготовления ГПП является политетрафторэтилен (ПТФЭ), который обладает высокими диэлектрическими свойствами, химической стойкостью к агрессивным химическим средам и широким диапазоном рабочих температур. Важным недостатком, не позволяющим в полной мере применять ПТФЭ в качестве основы для гибких печатных плат, является низкая адгезия к металлическим и полимерным слоям.
6
Имеющиеся на рынке материалы для гибких печатных плат производятся по двум основным технологиям: прикатыванием проводящей фольги к диэлектрику через адгезионный подслой и металлизацией нефольгированного диэлектрика с применением адгезионного подслоя. Общим недостатком данных технологий является использование адгезионного подслоя, который ухудшает эксплуатационные характеристики получаемых изделий.
Поэтому актуальной является задача создания материала гибкой печатной платы на политетрафторэтилене без адгезионных подслоев.
Целью диссертации является разработка технологии и оборудования вакуумной металлизации полимерных пленок для производства гибких печатных плат на основе политетрафторэтилена без применения полимерного адгезионного подслоя. Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
• анализ механизмов адгезии металлического слоя к полимеру и теоретическое обоснование формирования медного слоя на ПТФЭ с высокой адгезией;
• изучение процесса плазмохимической обработки поверхности политетрафтор¬этилена с целью создания необходимого рельефа полимерного материала;
• исследование процесса вакуумной металлизации политетрафторэтилена методом магнетронного распыления с целью формирования устойчивого контакта меди с ПТФЭ;
• разработка образца экспериментального оборудования с технологическими устройствами модификации и металлизации полимерной пленки, реализующего рулонную технологию вакуумной металлизации;
• определение основных технологических факторов и масштабов их влияния на адгезионную способность пленки меди к политетрафторэтилену;
• разработка образца промышленного оборудования с технологическими устройствами модификации и металлизации полимерной пленки, реализующего рулонную технологию вакуумной металлизации;
• создание рулонной технологии вакуумной металлизации полимерной пленки для производства гибких печатных плат на основе ПТФЭ.
7
Научная новизна работы.
1. Создана физическая модель формирования высокоадгезионного слоя металла к поверхности полимера и экспериментально показана адекватность физической модели реальным условиям при формировании структуры медь - ПТФЭ ионно¬плазменными методами в вакууме.
2. Впервые экспериментально показано, что применение высокоэнергетичных (5¬
9 кэВ) ионов газов CF4, O2 и Лг обеспечивает развитие поверхности политетрафторэтилена на глубину до 3 мкм с достаточной для практического применения скоростью.
3. Результаты исследований по влиянию геометрии рельефа и модификации поверхности ПТФЭ на адгезию слоя меди к ПТФЭ. Технологические режимы, обеспечивающие формирование медного покрытия на поверхности ПТФЭ с адгезией более 1,5 Н/мм.
Практическая значимость.
1. Разработан и изготовлен образец экспериментальной установки вакуумной металлизации полимерной пленки.
2. Разработан и изготовлен образец промышленной установки вакуумной металлизации полимерной пленки, обеспечивающий выпуск материала для гибкой печатной платы с нормативными параметрами.
3. Разработан технологический процесс вакуумной металлизации ПТФЭ с ионно¬лучевой обработкой поверхности ПТФЭ по рулонной технологии.
Методы исследований. При решении названных задач использовались
методы:
• современной вакуумной ионно-плазменной технологии (ионно-лучевая обработка, магнетронное нанесение) - для формирования высокоадгезионных слоев меди на ПТФЭ;
• измерения индукции магнитных полей ионного и магнетронного источников - для определения оптимальной конфигурации магнитного поля;
• электронной микроскопии - для изучения геометрических характеристик полученных структур, исследования топографии и глубины обработки ПТФЭ;
8
• измерения адгезии металла к полимеру методом нормального отслаивания - для определения эксплуатационных характеристик получаемых образцов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Физическая модель формирования высокоадгезионного слоя металла к поверхности полимера.
2. Результаты исследований по влиянию геометрии рельефа и модификации поверхности ПТФЭ на адгезию слоя меди к ПТФЭ. Технологические режимы, обеспечивающие формирование медного покрытия на поверхности ПТФЭ с адгезией более 1,5 Н/мм.
3. Экспериментальный и промышленный образцы оборудования и рулонная технология вакуумной металлизации ПТФЭ с ионно-лучевой обработкой поверхности ПТФЭ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на III научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы, решения» (Пермь, 2000 г.); V международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 2002 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (Москва, 2002-2004 гг.); Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2000-2004 гг.), на постоянно действующем семинаре «Электровакуумная техника и технология» (Москва, 2004 г.), на кафедре «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского «Наукоемкие технологии радиоэлектроники» (Москва, «МАТИ» - РГТУ, 2004 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 92 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 135 страниц, в том числе включает в себя 73 рисунка и 10 таблиц.
Перспективным направлением в технологии печатных плат является разработка и производство гибких печатных плат (ГПП), обладающих следующими преимуществами по сравнению с жесткими ПП:
• упрощение компоновки и уменьшение объема электронной аппаратуры до 50%;
• высокая надежность;
• лучшие электрические характеристики;
• лучшее рассеивание теплоты;
• динамическая гибкость;
• возможность придания ГПП формы корпуса сложной конфигурации;
• технологичность конструкции и экономичность технологического процесса изготовления ГПП вследствие применения рулонной технологии.
В качестве материалов для изготовления гибких печатных плат применяют фольгированные и нефольгированные полиимид и полиэтилентерефталат.
Перспективным материалом для изготовления ГПП является политетрафторэтилен (ПТФЭ), который обладает высокими диэлектрическими свойствами, химической стойкостью к агрессивным химическим средам и широким диапазоном рабочих температур. Важным недостатком, не позволяющим в полной мере применять ПТФЭ в качестве основы для гибких печатных плат, является низкая адгезия к металлическим и полимерным слоям.
6
Имеющиеся на рынке материалы для гибких печатных плат производятся по двум основным технологиям: прикатыванием проводящей фольги к диэлектрику через адгезионный подслой и металлизацией нефольгированного диэлектрика с применением адгезионного подслоя. Общим недостатком данных технологий является использование адгезионного подслоя, который ухудшает эксплуатационные характеристики получаемых изделий.
Поэтому актуальной является задача создания материала гибкой печатной платы на политетрафторэтилене без адгезионных подслоев.
Целью диссертации является разработка технологии и оборудования вакуумной металлизации полимерных пленок для производства гибких печатных плат на основе политетрафторэтилена без применения полимерного адгезионного подслоя. Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
• анализ механизмов адгезии металлического слоя к полимеру и теоретическое обоснование формирования медного слоя на ПТФЭ с высокой адгезией;
• изучение процесса плазмохимической обработки поверхности политетрафтор¬этилена с целью создания необходимого рельефа полимерного материала;
• исследование процесса вакуумной металлизации политетрафторэтилена методом магнетронного распыления с целью формирования устойчивого контакта меди с ПТФЭ;
• разработка образца экспериментального оборудования с технологическими устройствами модификации и металлизации полимерной пленки, реализующего рулонную технологию вакуумной металлизации;
• определение основных технологических факторов и масштабов их влияния на адгезионную способность пленки меди к политетрафторэтилену;
• разработка образца промышленного оборудования с технологическими устройствами модификации и металлизации полимерной пленки, реализующего рулонную технологию вакуумной металлизации;
• создание рулонной технологии вакуумной металлизации полимерной пленки для производства гибких печатных плат на основе ПТФЭ.
7
Научная новизна работы.
1. Создана физическая модель формирования высокоадгезионного слоя металла к поверхности полимера и экспериментально показана адекватность физической модели реальным условиям при формировании структуры медь - ПТФЭ ионно¬плазменными методами в вакууме.
2. Впервые экспериментально показано, что применение высокоэнергетичных (5¬
9 кэВ) ионов газов CF4, O2 и Лг обеспечивает развитие поверхности политетрафторэтилена на глубину до 3 мкм с достаточной для практического применения скоростью.
3. Результаты исследований по влиянию геометрии рельефа и модификации поверхности ПТФЭ на адгезию слоя меди к ПТФЭ. Технологические режимы, обеспечивающие формирование медного покрытия на поверхности ПТФЭ с адгезией более 1,5 Н/мм.
Практическая значимость.
1. Разработан и изготовлен образец экспериментальной установки вакуумной металлизации полимерной пленки.
2. Разработан и изготовлен образец промышленной установки вакуумной металлизации полимерной пленки, обеспечивающий выпуск материала для гибкой печатной платы с нормативными параметрами.
3. Разработан технологический процесс вакуумной металлизации ПТФЭ с ионно¬лучевой обработкой поверхности ПТФЭ по рулонной технологии.
Методы исследований. При решении названных задач использовались
методы:
• современной вакуумной ионно-плазменной технологии (ионно-лучевая обработка, магнетронное нанесение) - для формирования высокоадгезионных слоев меди на ПТФЭ;
• измерения индукции магнитных полей ионного и магнетронного источников - для определения оптимальной конфигурации магнитного поля;
• электронной микроскопии - для изучения геометрических характеристик полученных структур, исследования топографии и глубины обработки ПТФЭ;
8
• измерения адгезии металла к полимеру методом нормального отслаивания - для определения эксплуатационных характеристик получаемых образцов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Физическая модель формирования высокоадгезионного слоя металла к поверхности полимера.
2. Результаты исследований по влиянию геометрии рельефа и модификации поверхности ПТФЭ на адгезию слоя меди к ПТФЭ. Технологические режимы, обеспечивающие формирование медного покрытия на поверхности ПТФЭ с адгезией более 1,5 Н/мм.
3. Экспериментальный и промышленный образцы оборудования и рулонная технология вакуумной металлизации ПТФЭ с ионно-лучевой обработкой поверхности ПТФЭ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на III научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы, решения» (Пермь, 2000 г.); V международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 2002 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (Москва, 2002-2004 гг.); Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2000-2004 гг.), на постоянно действующем семинаре «Электровакуумная техника и технология» (Москва, 2004 г.), на кафедре «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского «Наукоемкие технологии радиоэлектроники» (Москва, «МАТИ» - РГТУ, 2004 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 92 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 135 страниц, в том числе включает в себя 73 рисунка и 10 таблиц.
В заключение диссертационной работы можно сделать следующие выводы:
1. Впервые разработана физическая модель, обеспечивающая формирование структуры с высокой адгезией металла к полимеру за счет развитие рельефа и модификация поверхности полимерной пленки. Адгезия в основном обеспечивается силами Ван-дер-Ваальса и за счет формирования двойного электрического слоя на границе раздела высокоразвитого рельефа. Адекватность модели подтверждена экспериментально.
2. Разработан экспериментальный образец установки вакуумной металлизации полимерных пленок по рулонной технологии.
3. Исследованы магнитные поля источника ионов. Разработана конструкция ионного источника, позволяющая работать при более высоких ускоряющих напряжениях (до 7 кВ).
4. Предложена инженерная методика расчета величины и конфигурации магнитного поля в зависимости от конструкции магнитной системы. Разработана магнитная система, обеспечивающая оптимальную конфигурацию магнитного поля с использованием магнитов самарий-кобальт. Создана конструкция магнетрона с высокой равномерностью осаждения пленок и минимизирующая тепловые потоки на подложку за счет электронной компоненты. Обеспечены условия совместной работы ионного и магнетронного источников.
5. Проведен анализ температурного режима осаждения пленок меди на полимерную основу в стационарном (неподвижная пленка относительно источника пара) и динамическом (пленка с определенной скоростью перемещается относительно источника пара) состояниях. Рассчитана температура охлаждения барабана и скорость движения пленки, при которых полимерная основа обратимо изменяет свои характеристики. На основании полученных данных разработана конструкция охлаждающего барабана.
6. Исследовано изменение адгезионной способности проводящих слоев к политетрафторэтилену в зависимости от режимов предварительной обработки пленки ПТФЭ. Показано, что максимальная адгезия пленки к подложке получается при
124
глубине травления пленки 2-3 мкм. Данный результат однозначно подтверждает адекватность предложенной физической модели.
7. Разработан технологический процесс модификации поверхности ПТФЭ ионами, которые с одной стороны создают высокоразвитый геометрический рельеф, а с другой - формируют энергетический рельеф поверхности, насыщая ее избыточной энергией. В результате увеличения рельефа происходит рост адгезии в до 20 раз.
8. Разработан и изготовлен образец промышленной установки вакуумной металлизации полимерных пленок по рулонной технологии.
9. Создана технология вакуумной металлизации полимерной пленки для изготовления гибких печатных плат. Полученные образцы по своим характеристикам удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к печатным платам.
1. Впервые разработана физическая модель, обеспечивающая формирование структуры с высокой адгезией металла к полимеру за счет развитие рельефа и модификация поверхности полимерной пленки. Адгезия в основном обеспечивается силами Ван-дер-Ваальса и за счет формирования двойного электрического слоя на границе раздела высокоразвитого рельефа. Адекватность модели подтверждена экспериментально.
2. Разработан экспериментальный образец установки вакуумной металлизации полимерных пленок по рулонной технологии.
3. Исследованы магнитные поля источника ионов. Разработана конструкция ионного источника, позволяющая работать при более высоких ускоряющих напряжениях (до 7 кВ).
4. Предложена инженерная методика расчета величины и конфигурации магнитного поля в зависимости от конструкции магнитной системы. Разработана магнитная система, обеспечивающая оптимальную конфигурацию магнитного поля с использованием магнитов самарий-кобальт. Создана конструкция магнетрона с высокой равномерностью осаждения пленок и минимизирующая тепловые потоки на подложку за счет электронной компоненты. Обеспечены условия совместной работы ионного и магнетронного источников.
5. Проведен анализ температурного режима осаждения пленок меди на полимерную основу в стационарном (неподвижная пленка относительно источника пара) и динамическом (пленка с определенной скоростью перемещается относительно источника пара) состояниях. Рассчитана температура охлаждения барабана и скорость движения пленки, при которых полимерная основа обратимо изменяет свои характеристики. На основании полученных данных разработана конструкция охлаждающего барабана.
6. Исследовано изменение адгезионной способности проводящих слоев к политетрафторэтилену в зависимости от режимов предварительной обработки пленки ПТФЭ. Показано, что максимальная адгезия пленки к подложке получается при
124
глубине травления пленки 2-3 мкм. Данный результат однозначно подтверждает адекватность предложенной физической модели.
7. Разработан технологический процесс модификации поверхности ПТФЭ ионами, которые с одной стороны создают высокоразвитый геометрический рельеф, а с другой - формируют энергетический рельеф поверхности, насыщая ее избыточной энергией. В результате увеличения рельефа происходит рост адгезии в до 20 раз.
8. Разработан и изготовлен образец промышленной установки вакуумной металлизации полимерных пленок по рулонной технологии.
9. Создана технология вакуумной металлизации полимерной пленки для изготовления гибких печатных плат. Полученные образцы по своим характеристикам удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к печатным платам.