Химическая и электрохимическая металлизация в производстве печатных плат

Процесс производства печатных плат прошло долгий путь от приклеивания медной фольги к диэлектрику и ручного лужения, до сложных автоматизированных химических и электрохимических процессов. Качество, ремонтопригодность, а также габаритные размеры готовой продукции во многом зависят от качества изготовления печатных плат. Перечень технологических операций входящих в процесс производства печатных плат:

1) нарезка заготовок и образование базовых отверстий — в производстве нарезку материала выполняют методом штамповки с одновременной пробивкой базовых отверстий на технологическом поле.

2) химическая металлизация печатных плат заключается в последовательности химических реакций осаждения меди, используемой в качестве слоя, или подслоя при нанесении основного слоя токопроводящего рисунка гальваническим способом.

3) гальваническая металлизация — при производстве печатных плат ее применяют для увеличения тонкого слоя химической меди с целью последующего нанесения на поверхность проводящего слоя.

4) нанесение рисунка схемы на печатные платы или их слои необходимо для получения защитной маски требуемой конфигурации при осуществлении процессов и травления проводящего слоя.

5) травление меди с пробельных мест — формирование проводящего рисунка схемы.

6) удаление защитной маски после операций травлений.

7) оплавление металлорезиста — гальванически нанесенный металлорезист олово-свинец.

8) нанесение защитного покрытия на плату наносится в специальной распылительной камеры, в качестве защитного материала может использоваться лак, флюсы ацитоноканифольные или спиртоканифольные.

Многослойные печатные платы.

Однослойные печатные платы отживают свой век, обилие элементов и сложность рисунка делают применение таких печатных плат ограниченным. Им на смену приходят двухсторонние и многослойные печатные платы позволяющие проводить разводку практически любой сложности.

Многослойная печатная плата состоит из ряда склеенных печатных слоев, в которых находятся сигнальные проводники, переходные отверстия, экраны, шины питания, контактные площадки или выступы для присоединения выводов элементов. Сохраняя все достоинства печатного монтажа, МПП имеют дополнительные преимущества:

более высокая удельная плотность печатных проводников и контактных площадок (20 и более слоев);

уменьшение длины проводников, что обеспечивает значительное повышение быстродействия (например, скорость обработки данных в ЭВМ);

возможность экранирования цепей переменного тока;

более высокая стабильность параметров печатных проводников под воздействием внешних условий.

Недостатки МПП:

более жесткие допуски на размеры по сравнению с ОПП и ДПП;

большая трудоемкость проектирования и изготовления;

применение специального технологического оборудования;

тщательный контроль всех операций;

высокая стоимость и низкая ремонтопригодность.

Основные способы получения МПП классифицируют по методу создания электрических межслойных соединений.

В первой группе методов электрическая связь между проводниками, расположенными на различных слоях платы, осуществляется с помощью механических деталей: штифтов, заклепок, пистонов, упругих лепестков. МПП изготавливается из нескольких ДПП путем прессования, в отверстия вставляются предварительно облуженные штифты, которые затем под действием электрического тока, проходящего через штифт, разогреваются, образуя с помощью припоя электрическое соединение с печатными проводниками (рис. 1, а). В отверстия могут вставляться также заклепки, пистоны, которые облуживаются по торцам и развальцовываются (рис. 1, б). Соединения могут осуществляться по соприкасающимся фланцам пистонов, а также путем соединения предварительно отбортованных контактных площадок пистоном, что уменьшает размеры пакета (рис. 1, в). Эти методы весьма трудоемки, плохо поддаются автоматизации и не обеспечивают высокого качества межслойных соединений.

рис. 1. Межслойные соединения механическими деталями.

Метод выступающих выводов характеризуется тем, что при его осуществлении межслойные соединения образуются за счет выводов, выполненных из полосок медной фольги, выступающих с каждого печатного слоя и проходящих через перфорированные отверстия в диэлектрических межслойных прокладках. Выводы отгибаются на наружную сторону МПП и закрепляются пайкой в специальных колодках. Метод включает следующие операции (рис. 2, а):

изготовление заготовок из стеклоткани и медной фольги (нарезка в размер);

перфорирование стеклоткани;

склеивание заготовок перфорированного диэлектрика с медной фольгой;

получение защитного рисунка схемы отдельных слоев;

травление меди с пробельных мест;

прессование пакета МПП;

отгибка выводов на колодки и закрепление их;

облуживание поверхности выводов, механическая обработка платы по контуру;

контроль, маркировка.

Рис. 2 стадии формирования МПП: а методом выступающих выводов 1-нарезка заготовок; 2-перфорирование диэлектрика; 3-нанесение рисунка на слой; 4-травление меди; 5-прессование пакета. б методом открытых контактных площадок 1-получение заготовок; 2-нанесение защитного рельефа на слой; 3-травление меди; 4-пробивка отверстий; 5-песовка пакета и выполнение соединений.

При данном методе используется более толстая медная фольга (до 80 мкм), платы допускают установку только ИМС с планарными выводами. Количество слоев не превышает 20. Преимущества метода — высокая жесткость и надежность межслойных соединений, недостатки — сложность механизации процесса разводки выступающих выводов и их закрепления на плате, а также установки навесных элементов.

Метод открытых контактных площадок основан на создании электрических межслойных соединений с помощью выводов навесных элементов или перемычек через технологические отверстия, обеспечивающие доступ к контактным площадкам, и включает следующие операции (рис. 2, б):

получение заготовок фольгированного материала;

нанесение защитного рисунка схемы на каждый слой;

травление меди с пробельных мест и удаление резиста;

пробивка отверстий в слоях;

прессование пакета МПП;

облуживание контактных площадок, выполнение электрических соединений.

В слоях вырубаются отверстия: для штыревых выводов круглые, для планарных прямоугольные. Для увеличения площади контакта диаметр площадок делают больше диаметра отверстий. МПП являются ремонтопригодными, так как допускается перепайка выводов ЭРЭ. Количество слоев — до 12.

Недостатки метода: возможность попадания клея на контактные площадки при склеивании слоев и трудоемкость его удаления скальпелем; трудность автоматизации процесса пайки выводов в углублениях; отсутствие электрической связи между слоями; низкая плотность монтажных соединений.

Метод металлизации сквозных отверстий характеризуется тем, что собирают пакет из отдельных слоев фольгированного диэлектрика (внешних — одностороннего, внутренних — с готовыми печатными схемами) и межслойных склеивающихся прокладок, пакет прессуют, а межслойные соединения выполняют путем металлизации сквозных отверстий. Технологический процесс включает следующие операции (рис. 3, а):

получение заготовок фольгированного диэлектрика и межслойных склеивающихся прокладок;

получение рисунка печатной схемы внутренних слоев фотохимическим способом аналогично ДПП;

пресование пакета МПП при температуре 160—180 С и давлении 2—5 МПа;

сверление отверстий в пакете;

получение защитного рисунка схемы наружных слоев фотоспособом;

нанесение слоя лака;

подтравливание диэлектрика в отверстиях в смеси серной и плавиковой кислот в соотношении 4:1 при температуре (605) С в течение 10—30 с. При этом растворяется смола стеклопластиков и стеклоткань склеивающих прокладок устранения следов наволакивания смолы, обнажения контактных площадок и увеличения площади контактирования;

химическое меднение сквозных отверстий;

удаление слоя лака;

гальваническое меднение отверстий и контактных площадок до толщины 25—30 мкм в отверстиях;

нанесение металлического резиста гальваническим путем (сплавы Sn—Pb, Sn—Ni);

удаление защитного слоя рисунка и травление меди с пробельных мест;

осветление (оплавление) металлического резиста;

механическая обработка МПП (снятие технологического припуска);

контроль и маркировка.

Рис. 3 стадии формирования МПП: а методом металлизации сквозных отверстий 1- получение заготовок; 2- нанесение рисунка на внутренних слоях; 3- прессование пакета; 4-сверление отверстий; 5-подтравливание диэлектрика. б методом попарного прессования 1- получение заготовок; 2-получение рисунка на внутренних слоях 3-выполнение межслойных переходов; 4-прессование пакета.

Качество МПП, изготовленных методом металлизации сквозных отверстий, в значительной мере зависит от надежности межслойных соединений — торцов контактных площадок с металлизированными отверстиями. Надежное соединение образуется при удалении со стенок отверстий пленки эпоксидной смолы, наволакиваемой при сверлении. Наиболее распространенный способ очистки отверстий перед металлизацией — химическое подтравливание диэлектрика стенок отверстий. Для этого используются растворы кислот или их смеси, однако смеси кислот склонны проявлять продукты травления в порах диэлектрика. За рубежом наибольшее распространение получил способ травления диэлектрика не в смеси кислот, сначала в серной, а затем в плавиковой. При повышении температуры раствора с 30 до 60 С глубина подтравливания диэлектрика увеличивается от 2—5 до 40—50 мкм, а при увеличении времени воздействия травящего раствора с 1 до 5 мин глубина подтравливания растет от 25—50 до 100—120 мкм.

В связи с тем, что для подтравливания используются агрессивные растворы (смесь горячих концентрированных кислот), требующие постоянного контроля и последующей нейтрализации обработанных заготовок, был предложен способ сухого плазменного травления. Он обеспечивает хорошую адгезию меди в отверстиях, короткий цикл обработки и отсутствие побочных эффектов. В качестве реагента используется низкотемпературная плазма из смеси газов, например кислорода и фреона при температуре 50—350 С и давлении 0,13—260 ГПа. Плазма содержит свободные радикалы (до 90) и ионы (1%). Рекомендуется перед травлением предварительный подогрев плат до 50—70 С. Плазма превращает эпоксидную смолу в летучее вещество, легко удаляемое из отверстий. Никаких промывок и сушки при плазменном методе не требуется. Этот процесс сухой и полностью автоматизирован. При обработке каждая МПП помещается в пространство между двумя параллельно расположенными алюминиевыми пластинами—электродами. Электроды имеют отверстия, совпадающие с отверстиями в МПП.

Метод металлизации сквозных отверстий является основным и наиболее перспективным в производстве МПП, так как не имеет ограничения количества слоев, легко поддается автоматизации и обеспечивает наибольшую плотность печатного монтажа. Он позволяет изготавливать МПП, пригодные для размещения на них элементов с планарными и штыревыми выводами. Более 80% всех МПП, производимых в мире, изготавливается этим методом.

Метод попарного прессования характеризуется тем, что внутренние слои МПП изготавливаются на одной стороне заготовки из двустороннего фольгированного диэлектрика, межслойные соединения — путем химико-гальванической металлизации отверстий в заготовках, полученные слои прессуются, а рисунок на наружных сторонах платы выполняется комбинированным позитивным методом.

В конструкции МПП нет прямой электрической связи между внутренними слоями многослойной структуры, она осуществляется через внешние слои. Сложность переходов не дает возможности получить высокую плотность печатного монтажа. Число слоев МПП — не более четырех. Технологический процесс включает следующие операции (рис. 3, б):

получение заготовок;

нанесение защитного рисунка схемы внутренних слоев;

травление меди с пробельных мест и удаление защитного рисунка;

выполнение межслойных электрических соединений между внутренними и наружными слоями химико-гальванической металлизацией;

прессование пакета МПП (металлизированные отверстия переходов заполняются смолой во избежание их разрушения при травлении);

сверление отверстий и нанесение защитного рисунка схемы наружных слоев;

химическое меднение сквозных отверстий;

гальваническое меднение и нанесение металлического резиста;

травление меди на наружных слоях;

осветление металлического резиста;

механическая обработка;

контроль, маркировка.

Попарным прессованием изготавливаются МПП, на которых размещаются навесные элементы с планарными и штыревыми выводами. Недостатки метода — низкая производительность, невозможность получения большого числа слоев и высокой плотности печатного монтажа.

Метод послойного наращивания характеризуется тем, что при его осуществлении межслойные соединения выполняют сплошными медными переходами (столбиками меди), расположенными в местах контактных площадок. Технологический процесс включает следующие операции:

получение заготовок стеклоткани и фольги;

перфорирование диэлектрика;

наклеивание перфорированной заготовки диэлектрика на фольгу;

гальваническая металлизация отверстия и химико-гальваническая металлизация второй наружной поверхности заготовки;

нанесение защитного рисунка схемы и травление меди;

гальваническое наращивание меди в отверстиях и химико-гальваническая металлизация наружной поверхности диэлектрика;

травление меди с пробельных мест;

получение многослойной структуры путем многократного повторения операций химико-гальванической металлизации и травления;

напрессовывание диэлектрика;

получение защитного рисунка печатного монтажа наружного слоя;

травление меди с пробельных мест и облуживание припоем;

механическая обработка;

контроль и маркировка.

Послойным наращиванием получают МПП, на которых размещают только навесные элементы с планарными выводами. Недостатком данного метода является нетехнологичность конструкции, так как нельзя использовать фольгированные диэлектрики и необходимо вести последовательный цикл изготовления многослойной структуры. Стоимость изготовления МПП высокая. Достоинства метода — возможность получения большого числа слоев (5 и более) и самые надежные межслойные контактные соединения. Результаты качественного сравнения МПП, изготовленных различными методами, приведены в табл. 1.

К базовым технологическим процессам получения МПП относятся прессование пакета, механическая обработка и контроль. Прессование пакета МПП является одним из самых важных процессов изготовления МПП, так как от качества его выполнения зависят электрические и механические характеристики готовой МПП. Технологический процесс прессования состоит из следующих операций: подготовка поверхности слоев перед прессованием; совмещение отдельных слоев МПП по базовым отверстиям и сборка пакета; прессование пакета.

Таблица 1 — Сравнительная характеристика методов изготовления МПП.

Химическая и электрохимическая металлизация.

Химическая металлизация ПП используется в качестве слоя или подслоя для нанесения основного слоя токопроводящего рисунка гальваническим способом при субтрактивном и полуаддитивном методе или основного слоя при изготовлении плат аддитивным методом.

Для придания диэлектрику способности к металлизации проводят такие подготовительные операции, как сенсибилизация и активация поверхности.

Сенсибилизация (от лат. sensibilis — чуствительный) поверхности имеет целью формирование на поверхности диэлектрика пленки ионов.

Активация поверхности диэлектрика проводится в растворах солей благородных металлов, преимущественно палладия, и способствует последующему осаждению меди.

Химическое осаждение меди — окислительно-восстановительный процесс, который происходит вследствие восстановления ионов двухвалентной меди на активированных поверхностях из ее комплексных солей.

Растворы для тонкослойного и толстослойного меднения.

С учетом назначения слоев осаждаемой меди растворы химического меднения можно разделить на составы для тонкослойного и толстослойного меднения. Тонкие (до 0,5−1,0 мкм) медные слои выполняют функцию подслоя в разнообразных процессах металлизации диэлектриков, а толстые слои (до 20−40 мкм) — функцию рисунков печатных плат или гибких кабелей в аддитивной технологии. Соответствующие растворы имеют различие в составе, режимах работы и скоростях осаждения, что существенно сказывается на свойствах получаемых из них слоев.

Тонкие и толстые медные пленки должны быть проводящими и хорошо связанными с подложкой. Кроме того, толстые пленки должны быть устойчивы к термическим воздействиям в процессе пайки и перепайки.

Составы растворов обоих типов сходны по основным компонентам, но принципиально отличаются по добавкам, регулирующим скорость осаждения и стабильность. Растворы толстослойного меднения намного стабильнее растворов тонкослойного меднения, скорость осаждения из которых не превышает десятых долей микрона в час при комнатной температуре.

Наиболее распространенными растворами тонкослойного меднения являются тартратные и трилонатные растворы, а также растворы, содержащие два лиганда. Составы стабилизированных растворов тонкослойного химического меднения приведены в таблице 2. Растворы с тиосульфатом натрия, диэтилдитиокарбоматом натрия, фенилтиогидантоиновой кислотой и цистеином рекомендуются для получения токопроводящего медного подслоя на поверхности диэлектриков любой природы, а также металлизации отверстий печатных плат, получаемых субрактивным методом. Растворы химического меднения с тиосемикарбазидом применяются для получения затравочных тонких медных рисунков при фотоаддитивной металлизации диэлектриков.

таблица (2).

Толстые (свыше 15 мкм) слои меди, используемые в качестве проводников, формирующих рисунок печатной платы или гибкого кабеля, должны быть пластичны (относительное удлинение до разрыва не менее 6%), прочны (прочность на разрыв 200−350 Н/мм²), электропроводны (удельное сопротивление (2−5)х10^-8 Ом•м); должны легко паяться, выдерживать без растрескивания, отслаивания, вздутия не менее трех циклов перепаек. Пластичные медные пленки осаждаются только в случае, если скорость процесса ниже определенной критической скорости. Критическая скорость зависит от температуры: чем выше температура раствора, тем выше скорость. Например, для получения пленки с хорошей пластичностью из раствора состава № 10 (табл. 3) скорость осаждения при 50 °C должна быть ниже 1 мкм/ч, а при 70 °C она может возрастать до 5 мкм/ч. Положительное влияние более высоких температур на пластичность можно, по-видимому, объяснить большей подвижностью атомов мели в процессе осаждения пленок, которая приводит к формированию кристаллов упорядоченной структуры. Величина критической скорости зависит и от конкретного состава раствора: концентрации компонентов, природы лиганда, а также стабилизирующих добавок.

Таблица (3).

В качестве лиганда в растворах толстослойного химического меднения, как и в растворах тонкослойного меднения, чаще всего используется трилон Б. Скорость процесса толстослойного и тонкослойного химического меднения из растворов с трилоном Б экстремально зависит от температуры и рН раствора. Особое значение при составлении рецептур растворов толстослойного меднения имеет выбор стабилизирующих добавок, которые, с одной стороны, должны обеспечивать высокую стабильность в сочетании с приемлемой для практических целей скоростью процесса, а с другой — не оказывать отрицательного влияния на качество осаждающейся пленки. Кроме стабилизирующих добавок в растворы вводят дополнительные блескообразоватсли и вещества пластификаторы, улучшающие пластичность за счет снижения количества водорода, включаемого в пленки.

Обилие рецептур растворов толстослойного химического меднения и некоторая противоречивость приводимых в литературе данных об их составах, параметрах осаждения и свойствах пленок свидетельствуют о том, что проблема поиска оптимального состава раствора до сих пор полностью не решена.

Покрытия хорошего качества с довольно высокой для комнатной температуры скоростью осаждаются из растворов, содержащих комплексную добавку, разработанную Институтом химии и химической технологии (г. Вильнюс). В состав добавки входят: диэтилдитиокарбомат (ДДКNа) — 5 г/л, железосинеродистый калий (K₄Fe (CN)₆) — 70 г/л, гидроксид аммония (NH₄OH) — 102 мл/л. В растворы химического меднения эта комплексная добавка вводится в количестве 0,5 мл/л.

Структура медного покрытия зависит от природы стабилизирующей добавки: в присутствии NaCN осаждаемая пленка меди состоит из частиц размером 2−5 мкм с четкой огранкой, а в присутствии V₂O₅ — из нечетко ограненных частиц размером до 1 мкм. При использовании раствора, содержащего 2-МБТ, пленки сформированы из крупных столбчатых частиц, состоящих, в свою очередь, из кристаллитов размером менее 1 мкм. Укрупнению зерен меди в толстых медных пленках способствуют увеличение их толщины, повышение температуры раствора и концентрации в нем соли меди, а также менее гладкая поверхность подложки. Пластичность медных пленок существенно увеличивается при прогреве и возрастает с увеличением его длительности и температуры. Вероятно, это объясняется, с одной стороны, протеканием при прогреве процессов, приводящих к укрупнению кристаллов, то есть к удлинению осей скольжения, а с другой — тем, что улетучиваются примеси (углерод, сера, водород и кислород).

Адгезия химически осажденных медных пленок определяется в основном природой и способом подготовки поверхности подложки (степень шероховатости, наличие функциональных групп), способом активирования и в меньшей степени — составом раствора и условиями осаждения. Максимуму адгезии (1300−1900 Н/м) соответствует структурированная поверхность с относительно равномерно и достаточно густо (40 микроуглублений на 100 мкм²) расположенными кавернами травления размером 1−2 мкм.

По электропроводности пленки меди, полученные из растворов толстослойного химического меднения в оптимальных режимах их работы, почти не отличаются от пленок гальванически осажденной меди. Сопротивление медных пленок зависит от их толщины, строения и состава. Удельное сопротивление тонких медных пленок, особенно полученных в присутствии серосодержащих добавок, велико. Это связано с наличием серы в пленке, обусловливающей ее столбчатое строение. С ростом толщины пленок сопротивление снижается.

Правила эксплуатации ванн химического меднения.

При приготовлении растворов химического меднения в отдельных емкостях растворяют в дистиллированной воде сернокислую медь, комплексообразователь и едкий натр. Затем смешивают первые два раствора и при непрерывном перемешивании приливают раствор едкого натра и раствор стабилизатора, после чего раствор в ванне доводят до рабочего уровня, выдерживают 8−10 часов, фильтруют и корректируют по величине рН добавлением NaOH или H₂S0₄. Формалин вводят за 10−20 мин до начала работы. Приготовленный раствор анализируют по всем компонентам. Анализ на содержание формалина, едкого натра и меди проводят ежедневно.

Корректирование растворов. Корректирование растворов сульфатом меди, щелочью и формалином проводят ежедневно в начале работы, а комплексообразователем — по данным экспресс-анализа, 1 раз в неделю. Стабилизатор вводят в конце рабочего дня в количестве не более ½ от рецептурного значения. На крупных предприятиях анализ ванны химического меднения проводят каждые 2 часа по NaOH, CuSO₄, CH₂0, трилону Б. Для предотвращения разложения раствора в период длительного хранения (более 24 часов) необходимо подкислить его до величины рН = 5−6 добавлением серной кислоты. При небольших перерывах раствор рекомсндуется подкислять до рH = 12,2−12,3. Можно вводить щелочной стабилизатор NaOH 180−200 г/л; Na₂S₂0₃ 0,05−0,06 г/л.

Корректирование растворов на основе трилона Б производят по данным анализа на содержание меди, щелочи и формалина. Трилон Б добавляют по 5−7 г/л через 2−3 дня работы. Для длительного хранения трилонатные растворы следует подкислять серной кислотой до рН = 10,0−10,5. Для корректирования следует применять концентрированные растворы CuS0₄ 200−250 г/л и NaOH 400−600 г/л. При длительном использовании раствора меднения в нем накапливаются в больших количествах сульфаты натрия и формиаты натрия, в результате чего введение очередной порции компонентов затруднено. В этом случае раствор не корректируют, а заменяют свежим.

Существуют различные способы корректировки: одноразовые (ежедневные), периодические и непрерывные.

Одноразовая корректировка возможна при невысокой интенсивности работы ванн, когда содержание основных компонентов ванны за рабочую смену не снижается ниже допустимого предела.

Периодическое корректирование проводится после обработки определенной площади изделий или через определенное число загрузок или через определенное время непрерывной работы раствора. Используются концентраты, содержащие 1−2 или 3−4 компонента в одном растворе. При этом необходим постоянный учет площади металлизированных изделий или времени работы раствора, что усложняет контроль процесса.

Непрерывный способ корректирования может осуществляться автоматической регулировкой. Разработан способ с автоматической подачей корректирующих растворов по сигналу датчика, измеряющего оптическую плотность раствора в инфракрасном свете. При одноразовом корректировании (1 раз перед началом смены) раствор химического меднения за 6 циклов меднения истощается по отдельным компонентам на 26,6−38%.

При непрерывном корректировании за 16 циклов металлизации максимальное изменение содержания всех компонентов раствора составляет 5,7−8,4%, скорость нанесения покрытия не претерпевает существенных изменений, оставаясь на уровне 3−3,4 мкм/ч.

Правила эксплуатации ванн химического меднения:

Предъявляются высокие требования к чистоте используемых реактивов и воды. Реактивы должны быть чистыми или химически чистыми. Вода, на которой готовятся растворы, должна быть обессолена дистилляцией.

С целью обновления раствора химического меднения в отверстиях плат и упрощения удаления водорода из отверстий проводится покачивание заготовок: плавное и медленное, 15−20 качаний в минуту при длине хода 50−100 мм. При этом скорость меднения увеличивается в 3 раза.

Необходимо обеспечить умеренную степень загрузки ванн химического меднения (примерно 250 см²/л).

Следует обеспечить оптимальный режим корректировки раствора (непрерывный).

Для стабилизации раствора в нерабочий период в раствор вводят щелочной стабилизатор в количестве 0,01 л на 1 литр ванны. Состав: NaOH 180−200 г/л; Na₂S₂0₃ — 0,05−0,06 г/л. Можно использовать традиционное подкисление раствора. Для повышения качества металлизации печатных плат ванна должна быть в форме куба с пластмассовой футеровкой. Необходимо предусмотреть дополнительную емкость, предназначенную для очистки раствора и рабочей ванны. При необходимости ванну следует промывать разбавленной азотной кислотой HN0₃ (1:1), затем водой.

Учитывая высокую стоимость растворов химического меднения, рекомендуется после ванны с рабочим раствором ставить ванну улавливания. Это позволяет уменьшить содержание химикатов в проточной воде в 10 раз. Можно предусмотреть также выдержку подвесок над раствором не менее 30 секунд, что увеличит время стекания раствора в основную ванну.

Выбираются стальные подвески, обрабатываемые в травильных растворах после каждого цикла.

Фильтрование удаляет не только посторонние примеси, но и мелкие частицы металла в случае, если в растворе уже началось объемное разложение. Особенно эффективно фильтрование для растворов, содержащих стабилизаторы, — тогда при объемной реакции образуется сравнительно небольшое число крупных частиц металла. Поэтому периодическое или непрерывное фильтрование раствора металлизации является необходимой операцией при длительном их использовании. Химическое меднение в протекающем растворе с фильтрацией обеспечивает повышение прочности сцепления осадка в 2 раза, причем осадок имеет более плотную структуру. Скорость фильтрации должна обеспечить 3−5-кратный обмен раствора в течение часа.

Необходимо предусматривать очистку раствора химического меднения от накапливающихся примесей: сульфат, формиат ионов, карбонат ионов, появляющихся за счет взаимодействия щелочи с углекислым газом при барботаже. Указанные ионы снижают пластичность медных осадков, уменьшается предел их прочности. Сульфат и формиат ионы можно удалять электродиализом. Накопления сульфат ионов можно избежать, если проводить корректировку по Си²⁺ с помощью Си (ОН)₂ или использовать медный электрод, подвергая его анодному растворению. Для предотвращения накопления карбонатов рекомендуется барботировать ванну воздухом, очищенным от С0₂, или удалять карбонаты охлаждением раствора до 10 °C в нерабочий период. При этом карбонаты выпадают в осадок, который затем отфильтровывается.

Возможные виды брака на линии химического меднения.

Образование раковин является наиболее важной проблемой управления качеством, возникающей при автоматической сборке посредством пайки печатных плат со сквозными металлизированными отверстиями. Количество образовавшихся раковин при пайке непосредственно связано со способностью медного столба противостоять давлению газа позади него в течение нескольких секунд, во время которых газ вырабатывается термическим воздействием расплавленного припоя. Если образуются раковины, то газ может либо выходить через существующие поры, либо разрывать столб металлизации. Оба эти явления уменьшаются по мере возрастания толщины столба, и таким образом для всех плат со сквозными металлизированными отверстиями образование раковин уменьшается при возрастании толщины столба. Однако соотношение между образованием раковин и толщиной столба является функцией качества химического меднения. Для того чтобы избежать пор и слабых точек, в столбе металлизации необходимо полное покрытие стенок просверленных отверстий химической медью. Химическое меднение зависит от эффективности и однородности адсорбции катализатора.

Природа образования раковин при пайке сквозных металлизированных отверстий. Газ, приводящий к образованию раковин при пайке сквозных металлизированных отверстий, возникает из-за поглощения влаги из атмосферы эпоксидной составляющей слоя FR-4. Образования раковин можно избежать, если печатную плату хорошо высушить до пайки, но это не всегда практично.

Столб металлизации должен оставаться цельным в течение нескольких секунд с того момента, как термическое воздействие расплавленного припоя начинает вызывать в металлизированных отверстиях выделение влаги, поглощенной эпоксидной составляющей, и до того момента, когда припой застынет. Давление газа за медной стенкой может стать значительным, и таким образом столб не только должен быть непроницаемым, но и не должен иметь слабых точек, которые могут быть пробиты во время пайки (рис. 4а). Однако, если столб непроницаем, он должен еще также иметь достаточную адгезию к стенкам просверленных отверстий и не отрываться из-за давления газа позади него (рис. 46). Один из аспектов решения данных проблем лежит в нанесении химической меди и подготовке стенок просверленных отверстий, на которые она наносится.

Причины плохого химического покрытия.

Существует много причин, которые приводят к неосаждению химической меди на просверленной поверхности стеклоэпоксидного слоя.

На просверленной поверхности могут встречаться полости в слое (углубления) либо вследствие плохой пропитки стекловолокна эпоксидной составляющей, либо из-за вырывания концов стекловолокна при сверлении. В этих углублениях процесс осаждения химической меди затруднен. Эти полости также задерживают раствор из-за поверхностного натяжения, приводя к загрязнению и препятствуя последующим процессам.

Осколки сверления, остающиеся на стенках отверстий в процессе сверления, могут оказаться вытесненными позднее при производстве. Если это произойдет при активировании, но до металлизации, то ясно, что некоторые участки поверхности окажутся обнаженными.

Методы очистки. После плазменной очистки стенки отверстия могут оказаться покрытыми тонким слоем пыли, что приводит к недостаточной адсорбции катализатора.

При хромовокислом травлении шестивалентный хром действует как яд на коллоидный палладиевый катализатор, что может привести к отсутствию активирования поверхности.

При сернокислом травлении диэлектрика обнажается стекловолокно, кроме того, эпоксидная смола загрязняется анионными сульфированными остатками, которые уменьшают каталитическую адсорбцию при применении активатора, имеющего отрицательный электрокинетический потенциал. Эпоксидная смола в отверстии становится гладкой, что не способствует хорошей адгезии при химическом осаждении.

Лучше всего эти недостатки преодолеваются при использовании нагретого щелочного перманганатного раствора для травления диэлектрика.

Адсорбция катализатора. Коллоидный активатор, который имеет отрицательный электрокинетический потенциал, будет с трудом адсорбироваться на отрицательно заряженной поверхности стекловолокна. Поэтому поверхность отверстия должна быть специально подготовлена обработкой в растворе кондиционирования.

Таким образом, качество химической металлизации отверстия зависит в основном от способов подготовки поверхности диэлектрика.

Еще одним серьезным и распространенным видом брака является отслаивание.

Контроль качества химического меднения.

Для определения качества химической металлизации используется метод, выявляющий пористость, необнаруживаемую никакими другими методами, кроме электронного микроскопа. Метод «звездного неба», или контроль с помощью подсветки, заключается в проверке светопроницаемости стенки отверстия (рис. 5).

Плата разрезается особым способом. Одна сторона разреза проходит через середину ряда отверстий, другая находится в двух или трех миллиметрах от края отверстия и может быть немного отполирована для увеличения светопроницаемости.

Пластины монтируются на приспособление, которое является своего рода барьером, удаляющим весь паразитический свет. Образцы освещаются сзади лампой мощностью 10−20 Вт и подвергаются осмотру с увеличением от 20 до 50 раз.

Контроль производится после осаждения химической меди или после гальвано затяжки. Все образовавшиеся в результате процесса металлизации пустоты превращаются в светящиеся точки на темном фоне.

Качество металлизации оценивается по следующим критериям:

Отличное — отверстие совершенно черного цвета (d₀).

Очень хорошее — наблюдаются отдельные микроскопические точки (d₁)..

Удовлетворительное — небольшое количество маленьких пустот (d₂)..

Плохое — покрытие частично отсутствует, волокна диэлектрика полностью открыты, пористая металлизация на эпоксиде (d₃)..

Очень плохое — слабое покрытие или отсутствие покрытия вообще (d₄, d₅)..

Другие способы металлизации диэлектриков.

В современном мире, где экологический аспект ставится на первое место, процесс «химического меднения» признается экологически вредным и небезопасным для работы людей. Рассмотрим проблемы, возникающие при использовании процесса стандартного химического меднения:

1) большое время выхода заготовок при операции химического меднения около 2ч;

2) большой экологический вред;

3) постоянная работа с формалином;

4) постоянная работа с каустиком и приготовление концентрата каустика;

5) необходимость перекачки раствора химического меднения в запасную емкость;

6) необходимость добавления в ванну стабилизирующих добавок;

7) нестабильность раствора химического меднения;

8) большой объем анализов;

9) частая корректировка.

Современный рынок печатных плат предъявляет все более жесткие требования к качеству продукции. Это, в свою очередь, вызывает необходимость обновления и пополнения ассортимента расходных материалов,.

использование современных технологи, а также работы на более совершенном оборудовании. Самым доступным вариантом является применение новых современных технологий на имеющемся оборудовании. Рассмотрим варианты замены процесса химического меднения.

Термическое разложение солей меди.

Для металлизации диэлектриков и просверленных отверстий предлагаются другие способы, позволяющие исключить химическое меднение из технологического процесса вообще. Одним из способов является получение солевой пленки после термического воздействия (термолиза) на комплексную соль гипофосфита меди в качестве токопроводящего слоя.

Простая некомплексная соль — гипофосфит меди Cu (H₂P0₂)₂ получается по реакции.

CuS0₄+Ca (H₂P0₂)₂>Cu (H₂P0₂)₂ + CaS0₄v.

Она обладает низкой термической устойчивостью. Термическое разложение этой соли — окислительно-восстановительный процесс в твердой фазе с образованием металлической меди, гидрида меди, оксида меди. Температура разложения 50 °C, процесс протекает с очень большой скоростью и практически неуправляем. Для возможности регулирования процесса разложения в состав соли вводят сольватные группы. Для этого гипофосфит меди растворяют в 25-процентном растворе аммиака.

Cu (H₂P0₂)₂+2NH₄OH>Cu (NH₃)₂(H₂P0₂)•2H₂0.

После стандартной обработки заготовки погружают в раствор комплексной соли при комнатной температуре на 2−3 мин, выдерживают их на воздухе 3−7 мин, а затем подвергают нагреву с циркуляцией воздуха при 130−145 °С в течение 15−20 мин.

При нагревании сначала происходит кристаллизация соли, затем выделение меди. Контроль полноты термолиза осуществляется визуально, по цвету образующегося осадка. Цвет в отверстиях должен быть от темно-коричневого до черного. Затем производится струйная промывка проточной водой. С поверхности фольги продукты разложения удаляются механическим способом — зачисткой влажной смесью полировальной извести с маршаллитом. Затем осуществляется гальваническое меднение и все последующие стандартные операции. Состав:

CuS0₄ * 5Н₂0 — 5−100 г/л;гипофосфит Na, К или NH₂⁺ — 50−100 г/л; NH₄F — 10−30 г/л; NH₄OH — 60−120 г/л; яблочная кислота — 25−50 г/л.

Преимущества:

не используется палладий;

исключается из процесса металлизации химическое меднение, что приводит к значительному экономическому эффекту: отпадает необходимость в дорогих растворах, устраняется дополнительный слой химически осажденной меди на поверхности фольги, ухудшающий прочность сцепления гальванически осажденной меди с фольгой;

возрастает производительность технологической линии металлизации до гальванического осаждения: время изготовления ДПП средней сложности (S = 2 дм³, число отверстий — 200) снижается с 1,2 ч до 30 мин;

повышается качество металлизации и надежность печатных плат, поскольку исключено контактное выделение палладия на незащищенных участках плат.

Недостатки:

разрыв металлизации в месте перехода металлизированного отверстия и контактной площадки;

непокрытие отверстий;

трудность удаления продуктов термолиза как из отверстий, так и с поверхности фольги.

Гальваническая металлизация.

Гальваническую металлизацию в производстве ПП применяют:

— для образования проводящего рисунка схемы с толщиной меди в отверстиях не менее 25 мкм;

— для предварительного увеличения тонкого слоя химической меди до толщины 5—8 мкм с целью последующего формирования рисунка схемы;

— для нанесения металлического резиста, например олово—свинец, толщиной 10—20 мкм либо специальных покрытий золотом, серебром толщиной 2—5 мкм.

Гальванический метод нанесения металлических покрытий был изобретен в 1837 г. в России электротехником Б. С. Якоби и заключается в том, что деталь, подлежащая покрытию, помещается в электролитно-водный раствор солей металла в качестве катода, а анодом является осаждаемый металл. Необходимые для восстановления электроны поступают от внешнего источника постоянного тока. Под действием напряжения ионы металла движутся к катоду, присоединяют электроны и осаждаются на нем как нейтральные атомы (рис. 6). Понятия «анод» (от греч. anodos — движение вверх, восхождение) и «катод» (от греч. kathodos — ход вниз, возвращение) были введены М. Фарадеем для обозначения направлений движения частиц, выделенных на электродах.

рис. 6. Cхема гальванической металлизации.

Для предварительной металлизации (затяжки) отраслевыми стандартами рекомендуются борфтористоводородные и сернокислые электролиты меднения. Первый состоит из: 230—250 г/л борфтористой меди Cu (BF₄)₂ источника ионов; 5—15 г/л борфтористоводородной кислоты HBF₄, вводимой для повышения злектропроводности электролита; 15—40 г/л борной кислоты H₃BO₃, необходимой для стабилизации электролита. Процесс ведут при температуре (205) С, катодной плотности тока 3—4 А/дм², скорости осаждения 20—30 мкм/ч.

Достоинства электролита — большая концентрация меди, высокая скорость ее осаждения, покрытие получается более мелкокристаллическое, чем из сернокислого электролита. Недостаток — высокая агрессивность электролита.

Лучшей рассеивающей способностью характеризуется сернокислый электролит с комплексной добавкой следующего состава: 60—70 г/л сернокислой меди; 150—180 г/л серной кислоты; 0,03—0,06 г/л хлористого натрия; 1—3 мл/л комплексной добавки (трилон Б).

Осаждение покрытия олово—свинец ведут в борфтористоводородном электролите следующего состава: 13—15 г/л Sn²⁺, 8—10 г/л Pb²⁺, 250—300 г/л HBF₄, 20—30 г/л H₃BO₃, 3—5 г/л комплексных добавок. Аноды изготавливают из сплава, содержащего 61% олова и 39% свинца. Процесс осаждения ведут при температуре (205) С, плотности тока 1—2 А/дм², скорость осаждения при этом составляет 1 мкм/мин.

Электролитический сплав олово—свинец должен иметь состав, приближающийся к эвтектическому, что обеспечивает в дальнейшем его оплавление при минимальной температуре и хорошую паяемость ПП. Это достигается определенным процентным содержанием олова и свинца в электролите, строгим поддержанием режима осаждения.

Для улучшения паяемости гальваническое покрытие сплавом олово—свинец оплавляют, используя установки с ИК-нагревом. Установка состоит из верхнего и нижнего блоков отражателей, между которыми проходит конвейер. ИК-лампы, установленные в фокусе эллиптического отражателя, фокусируют световой поток на поверхность плат, в результате сплав олово—свинец оплавляется и приобретает структуру металлургического сплава. Температура зоны предварительного нагрева составляет 200 С, а зоны оплавления — 500 С 5%.

многослойная печатная плата электрохимическая металлизация.

1. Левин А. П., Сватикова Н. Э. Расчет вибропрочности конструкции РЭА. — М.: МИРЭА, 2003.

2. Мевис А. Ф., Несвижский В. Б., Фефер А. И. Допуски и посадки деталей радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/ Под ред. О. А. Луппова. — М.: Радио и связь, 2004. — 152 с.

3. Ненашев А. П. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов — Мн.: Высш.шк., 2002. — 432 с.

4. Иванов-Есипович Н.К. Физико-химические основы производства радиоэлектронной аппаратуры: Учебное пособие для вузов.

5. Ильин В. А. Краткий справочник гальванотехника.