1500py470 (1500py470) wrote,
1500py470
1500py470

ИСТОРИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ В СССР часть 1

Вот как обстояли дела с производством печатных плат в СССР с 1953 года до конца союза по воспоминаниям ныне покойного В.А. Ильина, напишите есть ли смысл выкладывать PDF с его книгой о технологии производства ПП или рассылать заинтересованным приватно? При нажатии патенты открываются в высоком разрешении.

3693011

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.)

[Нажмите, чтобы прочитать кому интересно]


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.)

[Читайте кому интересно]


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.)

[Читайте кому интересно]

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.

Tags: hardware history, Воспоминания и размышления
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments