Печатные платы

Перед введением добавки «ЛТИ» раствор анализируется на содержание хлора и в зависимости от концентрации хлор-иона в раствор добавляется хлористый натрий, а если хлоридов оказалось выше нормы (0,06 г/л), излишек осаждается водной суспензией сернокислого серебра. В последнюю очередь вводится блескообразующая (выравнивающая) добавка «ЛТИ». После приготовления электролита фильтры насоса должны быть тщательно очищены от частиц угля, так как их присутствие в порах фильтра даже в небольших количествах повлечет за собой потерю добавки «ЛТИ» вследствие ее адсорбции активированным углем.

В состав добавки «ЛТИ» входят основной продукт (50 г), смачиватель ОС-20 (100 г), вода (400 г). Корректирование электролита осуществляется выделением компонентов. Основные компоненты электролита — медь сернокислая, кислота серная и хлориды — добавляются в электролит на основании данных химического анализа, который производится не менее 2 раз в месяц при интенсивной работе ванны. Корректирование по органическим добавкам выполняется после прохождения через ванну определенного количества электричества. Так, после прохождения 18 кКл/л электричества вводится продукт ОС-20 в количестве 1 мл/л в виде заранее приготовленного раствора, содержащего 100 г/л этого продукта. После прохождения 72 кКл/л вводится 1 мл/л раствора основного компонента добавки «ЛТИ». Накопление органических примесей приводит к’образованию блестящих полос и хрупкости медного покрытия, что выражается в резком снижении величины относительного удлинения е.

При снижении величины е до значений менее 6 % необходимо освободить электролит от органических примесей введением в электролит активированного угля БАУ в количестве 10 г/л. После тщательного перемешивания и выдержки не менее 7 ч электролит фильтруется и в него вводится добавка «ЛТИ» в количестве, соответствующем рецептурному.

Основные неполадки, встречающиеся при эксплуатации кислых электролитов, и возможные причины их появления представлены в табл. 16.

Таблица 16. Основные неполадки при меднении в кислых электролитах

декантируется в рабочую ванну и доливается до уровня дистиллированной водой.

Кремиефторидиый электролит. Кислота поставляется химической промышленностью по ТУ 6-09-2774—73 и является более дешевым продуктом, чем борфтористоводородная кислота. Электролит состоит из 10—15 г/л крем нефтористоводородной кислоты и 250—300 г/л кремнефторида меди. Температура электролита — 18—25 °С, катодная плотность тока 5 А/дм2.

Кремиефторидиый электролит меднения по своим свойствам, преимуществам и недостаткам аналогичен фторборатному электролиту.

Сульфатный электролит. Эти электролиты наиболее просты в приготовлении и эксплуатации. Однако стандартный электролит, содержащий сернокислую медь (200—250 г/л) и серную кислоту (50—75 г/л), ие получил распространения из-за плохой рассеивающей способности и малой производительности, так как осаждение меди происходит при плотности тока менее.2 А/дм2 Введение в состав электролитов разработанной Ленинградским Технологическим институтом им. Леисовета блесквобразующей добавки «ЛТИ» позволило значительно улучшить характеристики сульфатных электролитов, что послужило основанием для широкого распространения их в промышленности. Аналогичные по составу электролиты с фирменными добавками «Купрацид», «Новостар», «Кубас-1» и др., а также электролиты с добавкой «Меданит», или Б-7211 заслужили хорошую репутацию у изготовителей печатных плат, так как они обеспечивают очень равномерное распределение меди на плате. Состав сульфатных электролитов приведен в табл. 14.

Электролит 1 рекомендуется для металлизации печатных плат, имеющих отношение толщины платы к диаметру металлизируемых отверстий 2,5 и менее. Электролит характеризуется малой агрессивностью к фоторезистам, обеспечивает хорошую эластичность меди и мелкозернистую структуру.

Пониженная плотность тока обусловливает его более низкую производительность по сравнению с другими электролитами. Электролит рекомендован ГОСТ 23770—79.

Электролит 2 обеспечивает более высокую производительность по сравнению с электролитом 1 и хорошую рассеивающую способность. Осадки меди блестящие, гладкие и весьма эластичные. Электро-

Таблица 14. Состав и режим работы сульфатных электролитов

лит также рекомендуется для металлизации плат, имеющих отношение толщины плат к диаметру отверстий 2,5 и менее. Добавка «ЛТИ» поставляется по ТУ АУЭО. 028.010.

Электролит 3 характеризуется более высоким содержанием серной кислоты при уменьшенной концентрации сернокислой меди. Это обстоятельство при наличии высокоэффективной добавки ПАВ обусловливает наиболее высокую рассеивающую способность среди кислых электролитов, которая приближается к рассеивающей способности пирофосфатных электролитов. Осадки меди гладкие, полублестящие.

Процесс химического меднения, как указывалось выше, является автокаталитнческим — в начале его требуется катализатор в виде частиц металлического палладия или другого вещества. Операция,

в результате которой на диэлектрике создаются каталитические частицы, называется активированием.

В практике химического меднения полимерных материалов активирование осуществляют последовательной обработкой деталей вначале в растворе хлористого олова (SnCb-I-bO 20—25 г/л, NaCl 40—60 мл/л), а затем после промывки в воде детали погружают в раствор хлористого палладия, содержащий 0,5—1,0 г/л РсЮг и 12—18 мл/л НС1 плотностью 1190 кг/м3 и снова промывают. Двухзарядные ионы олова, адсорбирующиеся на поверхности диэлектрика, восстанавливают ионы палладия на диэлектрике до металла по реакции:

Sn2++Pd2+~>Sn4+ + Pd.

Такой способ активирования печатных плат из фольгированных диэлектриков не рекомендуется, так как на медной фольге вследствие реакции контактного обмена выделяется металлический палладий:

Cu + Pd2+-> Cu2+ + Pd.

Это приводит к быстрому истощению раствора активирования и непрочному сцеплению слоя металла с медной фольгой.

Имеется другой вариант раствора активирования, в котором палладий находится в виде аммиачно-трилонатного комплекса, и в этом случае реакция контактного вытеснения палладия отсутствует. Раствор этот содержит 3,5—4 г/л хлористого палладия, 1.1— 12 г/л трилова Б н 300—350 мл/л 25 %-ного аммиака. Температура раствора 15—20 °С, выдержка — 3—5 мин.

После промывок в воде детали необходимо обработать в растворе гипофосфита иатрня, содержащем 30—50 г/л ЫаНгРОг в течение 2—5 мнн с целью повышения каталитической активности поверхности, так как гипофосфит, будучи очень сильным восстановителем, способ-ствует более полному восстановлению палладия из довольно прочного комплесного соединения, в котором он находится. Активирование заготовок печатных плат в данном растворе применяется многими предприятиями.

За последние годы все большее применение получил метод прямого активирования посредством обработки заготовок плат в так называемом совмещенном растворе, содержащем одновременно ионы палладия и олова. Ниже приведен состав раствора (г/л).

Хлористое олово………… 40—45

Хлористый палладий "………. 0,8—1,0

Соляная кислота………… 75—80

Хлористый калий ……….. 140—150

Хлористый натрии………..

В этом растворе палладий находится в двух формах: в виде коллоидных частиц металла и его комплексной соли. После обработки плат в совмещенном растворе следуют промывки в воде, в результате чего происходит гидролиз солей олова и адсорбция гидроокисных соединений олова вместе с солями палладия и его коллоидными частицами на поверхности диэлектрика.

Полное восстановление палладия и удаление солей олова имеет место при последующей обработке в растворе «ускорителя» (20—35 г/л NaOH) в течение 2 мин л промывке в проточной воде. При этом происходит коагуляция частиц палладия и отмывка от четырехвалентного соединения олова.

Очевидно, что промывочная операция в процессе активирования с помощью совмещенного раствора имеет важное значение. Если она недостаточна по времени, то не произойдет гидролиза каталитического комплекса, т. е.- не будет удален обволакивающий частицы палладия слой гидроокиси четырехвалентного олова. Удлинение времени промывки приводит к смыванию реагирующих компонентов, и эффект активирования не достигается.

Следовательно, активирование при использовании совмещенного раствора состоит из следующих операций: погружения в совмещенный раствор на 5—10 мин; промывки в воде в течение 2 мин; погружения в растовр «ускорителя» на 1—2 мин; промывки в воде в течение 2 мин; погружения в раствор химического меднения.

С целью улавливания соединений палладия, относящихся к категории драгоценных металлов, устанавливается не менее двух улавливателей с непроточной водой. Извлечение палладия из них производится по методике, изложенной ниже.

Приготовление совмещенного раствора активирования необходимо выполнять по следующей методике: навеску хлористого палладия растворить в соляной кислоте из расчета 6 мл кислоты плотностю 1190 кг/м3 на 1 л приготавливаемого раствора при температуре 50—60 °С. Раствор охладить, разбавив водой до 20 мл на 1 л. В отдельной порции растворить хлористое олово в соляной кислоте из расчета 20 мл кислоты на 1 л приготавливаемого раствора при температуре 40—50 °С. Раствор охладить, добавив воды по 30 мл на 1 л раствора. Раствор хлористого олова медленно вливать в раствор хлористого палладия; выдержать полученную смесь при температуре 90—100 °С в течение 10—15 мин. Затем в полученный раствор влить оставшуюся кислоту и хлористый калий, растворенные в том количестве воды, которое необходимо для доведения ванны до рабочего уровня. Вода для приготовления растворов — дистиллированная.

Корректирование раствора производится по данным химического анализа. При уменьшении содержания SnCl2 до 10—12 г/л раствор корректируют введением кристаллического SnCI-2H20, затем подогревают до температуры 60—70 °С в течение 10—12 мин. При уменьшении содержания PdCl2 до 0,2—0,3 г/л раствор корректируют введением концентрированного раствора PdCI2 в соляной кислоте. В случае образования есадка или ослабления активирующей силы раствор корректируют пв всем компонентам и подогревают до температуры 60—70 °С в течение 10^-20 мин. Раствор не следует фильтровать.

Извлечение палладия из отработанных растворов производится следующим образом. В отработанные растворы активирования и улавливатели погрузить цинковые стержни, добавив в улавливатели соляную кислоту (140 г/л) для создания кислой среды. В результате контактного обмена на поверхности цинковых стержней выделяется металлический палладий по реакции

Zn + PdCl2 -"Pd + ZnClj.

Порошкообразный осадок палладия механически удаляется и растворяется в соляной кислоте, к которой добавлена перекись водорода (пергидроль) в количестве 10—20 мл/л. Полученный раствор нагревается до разложения перекиси водорода, охлаждается и анализируется. Раствор можно использовать для корректирования ванн активирования или после упаривания сухой остаток сдается в качестве возврати-мых отходов.

16. Меднение

Меднение является основным гальваническим процессом в производстве печатных плат; гальваническим меднением получают слой медн в монтажных и переходных отверстиях, а также проводящий рисунок в полуаддитивной технологии [6,7]. Из щелочных электролитов наиболее распространенными в производстве являются пиро-фосфатные электролиты. Из кислых электролитов известны фтор-боратные, сульфатные, кремнефторидные электролиты, в которых медь находится в виде солей: Cu>(BF4)2, CuS04, CuSiF6, и некоторые другие (оксалатный).

Пирофосфатный электролит. Основной компонент электролита — комплексная соль меди — образуется в результате растворения пиро-фосфата меди в избытке пнрофосфата калия по реакциям:

2CUSO4 + K4P2O7 -► CU2P2O7 + 2K2SO4,

CU2P2O7 + ЗК4Р2О7– 2К6 [Си (Р207)2J.

48

Состав (г/л) и режим работы электролита приведены ниже.

Сернокислая медь (CuS04-5H20)……90

Пнрофосфат калия (гмРгОг-ЗгЬО)……350

Лимонная кислота или цитрат калия…… 20

Аммиак водный (25 %-ный), мл/л…….1—2

Селенит натрия (ЫагБеОз)………0,002

рН……………..8,3—8,5

Температура электролита, °С………35—50

Катодная плотность тока, А/дм2. ……. 0,8—1,7

Для приготовления электролита раствор сернокислой меди приливают небольшими порциями при интенсивном перемешивании к нагретому раствору пирофосфата натрия. Раствор при этом приобретает интенсивную синюю окраску. Затем в полученный раствор вводят поочередно лимонную кислоту и остальные компоненты. Разряд меди происходит из комплексного аниона, в результате чего этот процесс сопровождается значительной катодной поляризацией, обусловливающей мелкозернистую структуру покрытия и хорошие механические свойства осадка меди. Б производстве печатных плат пирофосфатиый электролит имеет следующие преимущества: высокую рассеивающую способность, обеспечивающую получение слоя меди в отверстиях 80—90 % от толщины слоя меди на проводниках при отношении толщины платы к диаметру отверстия 2:1; хорошую эластичность меди при отсутствии органических примесей и примесей фосфатов; возможность ведения процесса при непрерывной фильтрации через уголь из-за отсутствия органических добавок.

В то же время указанный электролит обладает рядом недостатков.

1. Накопление фосфатов вследствие гидролиза пирофосфата. Накопление фосфатов обусловливает включение фосфора в осадок меди, доходящее до 0,5 % по массе. Фосфор в меди приводит к затруднениям при пайке и хрупкости осадка.

2. Охлаждение электролита влечет за собой кристаллизацию солей на анодах и стеиках ванны и возникновение при работе так называемой солевой пассивности анодов.

3. Малая скорость осаждения меди вследствие низких плотностей тока.

4. Большая чувствительность к примесям железа, свинца, хлора и органических продуктов.

5. Невозможность использования более перспективных фоторезистов водощелочного проявления (СПФ-ВЩ).

Из числа электролитов, в которых медь находится в виде комплексного соединения, заслуживает внимания оксалатный электролит, обеспечивающий очень высокую рассеивающую способность и мелкозернистую структуру электролитического осадка, следующего состава (г/л) и режима работы;

Сернокислая медь (CuS04-5H^O)……. 25

Щавелевокислый аммоний……… 50

Щавелевая кислота………… 10

рН………………3,5—4.5

Катоднан плотность тока U, А/дм2…….1,0—2,"0

Фторборатный электролит. Состав фторборатных электролитов приведен в табл. 13.

Таблица 13. Состав фторборатных электролитов

Преимуществом фторборатного электролита по сравнению с другими электролитами является наиболее высокая скорость осаждения меди вследствие применения повышенных плотностей тока, недостатки электролита — низкая рассеивающая способность (толщина покрытия в отверстиях при тех же условиях составляет 40— 50 % от толщины меди иа проводниках) и неэластичность осадков меди (относительное удлинение е = 2ч-3%). Хрупкость меди резко возрастает при попадании органических примесей и особенно продуктов выщелачивания пленочных фоторезистов.

Фторборат меди готовится в ванне посредством растворения основной углекислой соли меди в борфторнстоводородной кислоте по реакции

Cu(OH)2-CuC03 + 4HBF4 —► 2Cu(BF4)2 + 3H20 + С02.

Расчетное количество основной углекислой меди засыпается в ванну и в нее небольшими порциями вливается борфтористоводородная кислота до прекращения выделения углекислого газа. В полученный раствор вводится оставшаяся борфтористоводородная кислота и приготовленный в отдельной порции раствор борной кислоты.

Автоматизация производственных процессов является одной из главных задач, поставленных перед всеми отраслями промышленности XXVI съездом КПСС. В производстве изделий машиностроения, приборостроения, средств вычислительной техники и бытовой радиоэлектронной аппаратуры широко применяются печатные платы как средство, обеспечивающее автоматизацию монтажно-сборочиых операций, снижение габаритных размеров аппаратуры, металлоемкости и повышение ряда конструктивных и эксплуатационных качеств изделий.

. При изготовлении печатных плат в зависимости от их конструктивных особенностей и масштабов производства применяются различные варианты технологических процессов, в которых используются многочисленные химико-технологические операции и операции механической обработки.

В брошюре рассматриваются оборудование и операции механической обработки, такие как сверление, резка, абразивная очистка поверхности; описываются различные способы получения защитных рисунков схемы: фотохимическая печать, сеткография; представлены условия выполнения операции травления, с помощью которой создается проводящий рисуиок в основных производственных процессах.

Особое внимание уделяется в книге технологии электрохимических процессов, применяемых при изготовлении печатных плат, так как они в первую очередь обеспечивают основные качества плат: равномерность осаждения металла, способность проводящего рисунка к пайке, необходимую эластичность слоя металлизации в отверстиях, электропроводность и другие функциональные свойства печатных плат. Для обеспечения указанных качеств металлических покрытий составы приведенных в брошюре растворов и электролитов гальванических ванн несколько отличаются от аналогичных растворов, применяемых в гальванотехнике и описанных в других выпусках библиотечки гальванотехника.

Для многих операций технологических процессов изготовления представлены краткие характеристики оборудования, и средств автоматизации, рекомендованных для производства.

Перечень основных диэлектрических материалов, используемых для изготовления печатных плат, с указанием соответствующих ГОСТ или технических условий дан в приложении к брошюре, эти сведения могут оказаться полезными при выборе материалов для плат.

Для некоторых процессов приведены способы утилизации ценных материалов из отходов производства и, в частности, способы утилизации меди из отработанных травильных растворов.

В пределах небольшого объема настоящей брошюры не представилось возможным с исчерпывающей полнотой дать всю информацию, необходимую, например, при разработке производственных инструкций, однако читатель найдет ответы на многие вопросы, возникающие при внедрении новых технологических процессов.

Для облегчения этой задачи в тексте брошюры даны таблицы, характеризующие причины неполадок, возникающих в производстве печатных плат, а также приведены необходимые схемы технологических процессов. Все замечания и пожелания по данной книге просим направлять по адресу. 191065, Ленинград, ул. Дзержинского, 10, ДО издательства «Машиностроение».

1. Назначение и способы изготовления печатных плат

Печатная плата представляет собой плоское изоляционное основание, на одной или обеих сторонах которого расположены токо-проводящие полоски металла (проводники) в соответствии с электрической схемой.

Печатные платы служат для монтажа на них электрорадиоэлементов (ЭРЭ) с помощью полуавтоматических н автоматических установок с последующей одновременной пайкой всех ЭРЭ погружением в расплавленный припой или иа волне жидкого припоя ПОС-60. Отверстия на плате, в которые вставляются, выводы электрорадиоэлементов при монтаже, называют монтажными. Металлизированные отверстия, служащие для соединения проводников, расположенных на обеих сторонах платы, называют переходными.

Применение печатных плат позволяет облегчить настройку аппаратуры и исключить возможность ошибок при ее монтаже, так как расположение проводников и монтажных отверстий одинаково на всех платах данной схемы. Использование печатных плат, обусловливает также возможность уменьшения габаритных размеров аппаратуры, улучшения условий отвода тепла, снижения металлоемкости аппаратуры и обеспечивает другие конструктивно-технологические преимущества по сравнению с объемным монтажом.

К печатным платам предъявляется ряд требований по точности расположения проводящего рисунка, по величине сопротивления изоляции диэлектрика, механической прочности и др. (ГОСТ 23752—79). Одним из основных требований является обеспечение, способности к пайке, достигаемое соответствующим выбором гальванического покрытия и технологией металлизации, поэтому в производстве печатных плат особое внимание уделяется химико-гальваническим процессам.

(NH4hS2Oe + H20->- 2NH4HS04 + ‘/20a.

Раствор состоит из 200—250 г/л (NH4)2S208 и 5—7 г/л H2S04. Температура раствора — до 50 °С, боковое травление 50— 80 мкм, емкость по меди — 35 г/л, максимальная скорость травления — 25 мкм/мин. Утилизация меди и более полное использование персульфата достигается посредством охлаждения отработанного раствора до температуры +5°С, при этом выпадают кристаллы солей меди в виде CuS04- (NH4)2S04-6H20. Осаждению меди должна предшествовать реакция перевода кислой соли NH4HSO4 (которая, как показано выше, образуется вследствие

гидролиза персульфатов) в среднюю соль (NH^SC^ с помощью водного раствора аммиака:

NH4HSO4 + NH4OH -► (NH4)2S04 + H20.

Затем следует дополнительное введение в реактор раствора C11SO4, чтобы обеспечить связывание сульфата аммония в вышеуказанную, двойную соль.

Растворы на основе персульфата аммония могут быть использованы как в негативном, так и в позитивном процессе, однако невозможность регенерации раствора, сложная система утилизации меди, неравномерный характер вытравливания, высокая стоимость и дефицитность персульфата аммония обусловливают ограниченное применение персульфатных растворов в производстве.