RU2801440C1

RU2801440C1 - Method for manufacturing multilayer printed circuit boards

Info

Publication number: RU2801440C1
Application number: RU2022125743A
Authority: RU
Inventors: Максим Алексеевич Амелин; Игорь Владимирович Дрожжин; Дмитрий Викторович Левин; Геннадий Васильевич Мылов
Original assignee: Акционерное общество "Государственный Рязанский приборный завод"
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2023-08-08

Abstract

FIELD: radio electronics.

SUBSTANCE: invention is related in particular to production of multilayer printed circuit boards (MPCB) (printed circuit board module) with a high density of elements and improved heat removal from the inner layers of the board to the outer ones. The technical result is achieved by the fact that the method for manufacturing multilayer printed circuit boards includes creation of control files using the InCam software: a file for drilling through holes for metallization in printed circuit board blanks, a file for milling to a depth of a continuous copper layer of a printed circuit board blank, drawing a topology drawing of each layer, obtaining a printed circuit board blank by pressing all layers by vacuum hot pressing, while the inner layers of the blank contain signal layers and continuous copper layers, preparing the surface of the printed circuit board blank for drilling through holes for plating, drilling through holes for plating, while drawing the inner signal layers located between through holes, milling the surface of the printed circuit board blank to a depth of a continuous copper layer with formation of grooves at the locations of heat-removing polygons, performing chemical metallization of through holes with the formation of heat-removing pads with metallized holes and metallized ends, which are heat-removing polygons of a multilayer printed circuit board, drawing a picture of the outer layers.

EFFECT: invention can be used in the manufacture of unique equipment with high reliability.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности к производству многослойных печатных плат (МГШ) (модуля печатных плат) с высокой плотностью размещения элементов и улучшенным отводом тепла с внутренних слоев платы на внешние, и может быть использовано при изготовлении уникальной аппаратуры с высокой надежностью.The invention relates to the field of radio electronics, in particular to the production of multilayer printed circuit boards (MGSH) (printed circuit board module) with a high density of elements and improved heat removal from the inner layers of the board to the outer ones, and can be used in the manufacture of unique equipment with high reliability.

Электронная техника в настоящее время требует обеспечения еще большей степени миниатюризации и поэтому происходит постоянное повышение плотности размещения элементов в схемах. К печатным платам самое непосредственное отношение имеет процесс теплопроводности, так как именно он обеспечивает эффективное теплоотведение. Применение печатных плат с высокой плотностью элементной базы и малыми размерами увеличивает температурное воздействие на элементы платы и требует активного отведения производимого ими тепла. Для удовлетворения этой потребности необходимо обеспечить эффективный отвод тепла на наружные (внешние) слои многослойной печатной платы. Для этого на поверхности печатной платы, как правило, по контуру располагают металлизированные участки в виде полигонов, в которых сверлятся отверстия с последующей металлизацией, а также применяют технологию металлизированных торцов. Доступные в настоящее время методы изготовления МПП не позволяют получить оптимальные результаты с точки зрения предъявляемых на практике требований.Electronic technology currently requires an even greater degree of miniaturization, and therefore there is a constant increase in the density of elements in circuits. The process of heat conduction is most directly related to printed circuit boards, since it is this process that provides effective heat removal. The use of printed circuit boards with a high element base density and small dimensions increases the temperature effect on the board elements and requires active removal of the heat they produce. To meet this need, it is necessary to provide efficient heat dissipation to the outer (outer) layers of a multilayer printed circuit board. To do this, as a rule, metallized areas in the form of polygons are placed on the surface of the printed circuit board along the contour, in which holes are drilled with subsequent metallization, and the technology of metallized ends is also used. Currently available methods for the manufacture of MPP do not allow to obtain optimal results from the point of view of the requirements imposed in practice.

Из уровня техники известен способ изготовления печатных плат [Патент RU №2574290, МПК: Н05K 3/46, опубликован в 2016 г.], который выбран в качестве прототипа для заявленного технического решения. Данный способ изготовления многослойных печатных плат включает изготовление двусторонних или односторонних печатных плат, изготовление слоев склеивающих прокладок, сборку печатных плат в пакет с размещением между соединяемыми печатными платами склеивающих прокладок, последующего вакуумного горячего прессования пакета. В печатных платах выполняют глухие переходные отверстия, размещаемые непосредственно под контактными площадками выводов элементов, металлизируют их и заращивают медью. Осуществляют подготовку поверхности, нанесение рисунка топологии каждого слоя. При этом сборку печатных плат в пакет осуществляют последовательным послойным наращиванием на основу последующих слоев. После сборки и прессования многослойной печатной платы выполняют сквозные переходные металлизированные отверстия и нанесение рисунка внешних слоев.The prior art method of manufacturing printed circuit boards [Patent RU No. 2574290, IPC: H05K 3/46, published in 2016], which is selected as a prototype for the claimed technical solution. This method of manufacturing multilayer printed circuit boards includes the manufacture of double-sided or single-sided printed circuit boards, the manufacture of layers of adhesive gaskets, the assembly of printed circuit boards into a package with placement of adhesive gaskets between the printed circuit boards to be connected, followed by vacuum hot pressing of the package. In printed circuit boards, blind vias are made, placed directly under the contact pads of the element leads, they are metallized and overgrown with copper. The surface is prepared, drawing the topology pattern of each layer. In this case, the assembly of printed circuit boards into a package is carried out by successive layer-by-layer build-up on the basis of subsequent layers. After assembling and pressing the multilayer printed circuit board, metalized through vias are made and the outer layers are patterned.

Недостатком прототипа является невозможность применения способа к гибко-жестким печатным платам, необходимость использования склеивающих прокладок и глухих переходных отверстий, а также расположение теплоотводящих отверстий таким образом, что они проходят через всю структуру МПП, а именно, через внутренние сигнальные слои и слои диэлектрика.The disadvantage of the prototype is the impossibility of applying the method to flexible-rigid printed circuit boards, the need to use adhesive gaskets and blind vias, as well as the location of the heat-removing holes in such a way that they pass through the entire structure of the MPC, namely, through the internal signal layers and dielectric layers.

Техническая проблема, решаемая созданием данного изобретения, заключается в недостаточной помехозащищенности, поскольку конструкция изготовленных указанным способом многослойных печатных плат не позволяет эффективно отводить тепло без дополнительного оснащения оборудованием.The technical problem solved by the creation of this invention lies in insufficient noise immunity, since the design of multilayer printed circuit boards manufactured in this way does not allow efficient heat removal without additional equipment.

Техническим результатом изобретения является обеспечение улучшенного отвода тепла с внутренних слоев печатной платы на внешние.The technical result of the invention is to provide improved heat removal from the inner layers of the printed circuit board to the outer ones.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления многослойных печатных плат включает создание управляющих файлов при помощи программного обеспечения InCam: файла для сверления сквозных отверстий под металлизацию в заготовках печатных плат, файла для фрезерования на глубину до непрерывного медного слоя заготовки печатной платы, нанесение рисунка топологии каждого слоя, получение заготовки печатной платы прессованием всех слоев вакуумным горячим прессованием, при этом внутренние слои заготовки содержат сигнальные слои и непрерывные медные слои, подготовку поверхности заготовки печатной платы для сверления сквозных отверстий под металлизацию, сверление сквозных отверстий под металлизацию, при этом рисунок внутренних сигнальных слоев расположен между сквозными отверстиями, выполнение фрезерования поверхности заготовки печатной платы на глубину до непрерывного медного слоя с образованием занижений в местах расположения теплоотводящих полигонов, выполнение химической металлизации сквозных отверстий с образованием в занижениях поверхности заготовки печатной платы теплоотводящих площадок с металлизированными отверстиями и металлизированными торцами, являющихся теплоотводящими полигонами многослойной печатной платы, нанесение рисунка внешних слоев.The technical result is achieved by the fact that the method for manufacturing multilayer printed circuit boards includes the creation of control files using the InCam software: a file for drilling through holes for metallization in printed circuit board blanks, a file for milling to a depth of a continuous copper layer of a printed circuit board blank, drawing a topology drawing of each layers, obtaining a printed circuit board blank by pressing all layers by vacuum hot pressing, while the inner layers of the blank contain signal layers and continuous copper layers, preparing the surface of the printed circuit board blank for drilling through holes for plating, drilling through holes for plating, while drawing the inner signal layers located between through holes, milling the surface of the printed circuit board blank to a depth of a continuous copper layer with the formation of understatements at the locations of heat-removing polygons, performing chemical metallization of through holes with the formation of heat-removing pads with metallized holes and metallized ends, which are heat-removing polygons of a multilayer printed circuit board, drawing a picture of the outer layers.

Сущность изобретения поясняется рисунком, на котором показана многослойная печатная плата, изготовленная предлагаемым способом.The essence of the invention is illustrated by a figure showing a multilayer printed circuit board manufactured by the proposed method.

Многослойная печатная плата содержит теплоотводящие площадки 1, сквозные металлизированные отверстия 2, металлизированные торцы 3, внутренний сигнальный слой 4, занижения 5, полученные фрезерованием на глубину до непрерывного медного слоя 6, электрическую и тепловую изоляцию 7.The multilayer printed circuit board contains heat sink pads 1, metalized through holes 2, metalized ends 3, inner signal layer 4, undercuts 5 obtained by milling to a depth of a continuous copper layer 6, electrical and thermal insulation 7.

В заявляемом изобретении предлагается улучшить эффективность переноса тепла с непрерывных медных слоев 6 на внешние слои, выполненные в виде теплоотводящих площадок 1. Суть метода заключается во фрезеровании на глубину до внутреннего непрерывного медного слоя 6 с образованием занижений 5, где на конечных этапах изготовления печатных плат будут располагаться полигоны для отвода тепла (теплоотводящие площадки 1 с металлизированными отверстиями 2 и металлизированными торцами 3). Это позволит осуществлять прямой перенос тепла с непрерывных медных слоев 6 на внешние слои через сквозные металлизированные отверстия 2, минуя все внутренние сигнальные слои 4 и слои электрической и тепловой изоляции 7 (диэлектрика).The claimed invention proposes to improve the efficiency of heat transfer from continuous copper layers 6 to the outer layers, made in the form of heat sink pads 1. The essence of the method is to mill to a depth of the inner continuous copper layer 6 with the formation of understatements 5, where at the final stages of manufacturing printed circuit boards there will be there are polygons for heat removal (heat-removing pads 1 with metallized holes 2 and metallized ends 3). This will allow direct heat transfer from the continuous copper layers 6 to the outer layers through through metalized holes 2, bypassing all internal signal layers 4 and layers of electrical and thermal insulation 7 (dielectric).

Распишем применяемый метод по шагам. Изготовление многослойной печатной платы заявляемым способ осуществляется в несколько этапов:Let's describe the applied method step by step. The manufacture of a multilayer printed circuit board by the claimed method is carried out in several stages:

1. Первый этап изготовления печатной платы при данной технологии заключается в создании управляющих файлов при помощи специализированного программного обеспечения (InCam):1. The first stage of manufacturing a printed circuit board using this technology is to create control files using specialized software (InCam):

a. Файл сверления отверстий под металлизацию в заготовках печатных плат;a. File for drilling holes for plating in printed circuit board blanks;

b. файл фрезерования на глубину до непрерывного медного слоя 6 с образованием занижения 5 в печатных платах. При создании данного файла необходимо учитывать площадь фрезеруемой поверхности, а также оптимальный выбор режущего инструмента. Каждый следующий проход фрезы должен заходить на предыдущий на половину диаметра использованной фрезы.b. file milling to a depth of continuous copper layer 6 with the formation of understatement 5 in printed circuit boards. When creating this file, it is necessary to take into account the area of the milled surface, as well as the optimal choice of the cutting tool. Each subsequent pass of the cutter should overlap the previous one by half the diameter of the used cutter.

2. Вторым этапом является нанесение рисунка схемы (топологии) на каждый слой с лицевой и обратной стороны на установке экспонирования при помощи сухого пленочного фоторезиста.2. The second step is to apply a circuit pattern (topology) on each layer from the front and back sides on the exposure unit using dry film photoresist.

3. Третьим этапом является получение заготовки путем прессования всех слоев в вакуумном прессе горячего прессования.3. The third step is to obtain a blank by pressing all the layers in a hot vacuum press.

4. Четвертым этапом является подготовка поверхности заготовки печатной платы для сверления сквозных отверстий под металлизацию, а именно термообработка заготовки в сушильном шкафу при температуре 120°С в течение 2 часов. Затем происходит сборка пакета в следующей последовательности:4. The fourth stage is the preparation of the surface of the printed circuit board blank for drilling through holes for plating, namely, the heat treatment of the blank in an oven at a temperature of 120°C for 2 hours. Then the package is assembled in the following sequence:

1) нижняя прокладка из материала крафт-бумаги толщиной 1,5 мм;1) 1.5mm thickness kraft paper material bottom pad;

2) заготовка печатной платы;2) printed circuit board blank;

3) верхняя прокладка из материала крафт-бумаги толщиной 0,5 мм.3) 0.5mm thick kraft paper material top pad.

Прокладки из крафт-бумаги используются для предотвращения образования заусенцев при выполнении сквозных отверстий.Kraft paper spacers are used to prevent burr formation when making through holes.

Далее необходимо переместить пакет печатной платы на стол станка для сверления и укрепить на фиксирующих штифтах стола.Next, you need to move the PCB package to the table of the drilling machine and fix it on the fixing pins of the table.

5. В следующем этапе на сверлильных станках с числовым программным управлением происходит сверление сквозных отверстий под металлизацию. После этого крафт-бумагу удаляют.5. In the next stage, through-holes for plating are drilled on CNC drilling machines. After that, the kraft paper is removed.

6. Шестым этапом является фрезерование на глубину до непрерывного медного слоя 6 с заранее отработанными режимами. Данную операцию необходимо выполнять поэтапно в несколько заходов, так как поверхность печатной платы не всегда бывает ровной и даже небольшая разнотолщинность в виде 50 мкм может привести к браку выпускаемой продукции. Необходимо учитывать диаметр и тип использованной фрезы. Для наилучшего качества обрабатываемой поверхности рекомендуется использовать фрезу, например, типа «кукуруза» диаметром 2,0 мм.6. The sixth stage is milling to a depth of a continuous copper layer 6 with pre-worked out modes. This operation must be performed in stages in several passes, since the surface of the printed circuit board is not always smooth, and even a small difference in thickness in the form of 50 microns can lead to a defective product. Consider the diameter and type of cutter used. For the best quality of the machined surface, it is recommended to use a milling cutter, for example, of the “corn” type with a diameter of 2.0 mm.

7. На следующем этапе выполняют подготовку заготовки для операции химической металлизации на конвейерной установке очистки отверстий от механических загрязнений. Затем производят термообработку заготовки печатной платы в сушильном шкафу при температуре 120°С в течении 2 часов. Далее выполняют металлизацию сквозных отверстий совместно с теплоотводящими полигонами.7. At the next stage, the workpiece is prepared for the operation of chemical metallization on a conveyor installation for cleaning holes from mechanical impurities. Then heat treatment of the printed circuit board blank is carried out in an oven at a temperature of 120°C for 2 hours. Next, the through holes are metallized together with heat-removing polygons.

8. Затем происходит нанесение рисунка внешних слоев.8. Then the pattern of the outer layers is applied.

Таким образом, способ изготовления многослойных печатных плат позволяет обеспечить улучшенный отвод тепла с внутренних слоев печатной платы на внешние с возможностью организации линии непрерывного производства многослойных модулей печатных плат с высокой плотностью размещения элементов, а также уменьшает массу готовой печатной платы.Thus, the method for manufacturing multilayer printed circuit boards makes it possible to provide improved heat removal from the inner layers of the printed circuit board to the outer ones, with the possibility of organizing a continuous production line for multilayer printed circuit board modules with a high density of elements, and also reduces the weight of the finished printed circuit board.

Claims

A method for manufacturing multilayer printed circuit boards, including the creation of control files using the InCam software: a file for drilling through holes for plating in printed circuit board blanks, a file for milling to a depth of a continuous copper layer of a printed circuit board blank, drawing a topology drawing of each layer, obtaining a printed circuit blank boards by pressing all layers by vacuum hot pressing, while the inner layers of the workpiece contain signal layers and continuous copper layers, preparing the surface of the printed circuit board workpiece for drilling through holes for plating, drilling through holes for plating, while the pattern of the inner signal layers is located between the through holes, milling the surface of the printed circuit board blank to a depth of a continuous copper layer with the formation of understatements at the locations of heat-removing polygons, performing chemical metallization of through holes with the formation of heat-removing pads with metallized holes and metallized ends in the surface understatements of the printed circuit board blank, which are heat-removing polygons of a multilayer printed circuit board, drawing the outer layers.