Печатные платы

Архив рубрики «Электрохимический способ получения печатных плат»

Этот способ осуществляется посредством следующих основных операций: резки заготовок, сверления отверстий, подлежащих металлизации; подготовки поверхности; химического меднения; усиления меди гальваническим меднением; нанесения защитного рельефа на пробельные места^ гальванического меднения; гальванического покрытия сплавом олово—свинец; удаления защитного рельефа; травления меди с пробельных мест.

Исходным материалом служит нефольгированный стеклотекстолит марок СТЭФ-1-2ЛК (ТУ АУЭО.037.000) или СТЭК-1,5 (ТУ 16-503.201—80). На обе стороны этих материалов нанесен адгезионный слой из эпоксидно-каучуковой композиции. Свойства этих материалов приведены в приложении 2.

Подготовка поверхности диэлектрика заключается в ее химической обработке смесью хромовой и серной кислот, в результате которой на поверхности образуются микровпадины, обеспечивающие хорошую адгезию металлизированного слоя и хорошую смачиваемость водными растворами. Операция травления в данном процессе характеризуется очень малой продолжительностью (до 1 мнн), так как вытравливанию-подлежит весьма тонкий слой химически осажденной и усиленной гальванически до толщины 5—7 мкм меди. При вытравливании такого тонкого слоя меди эффект бокового подтравливания практически отсутствует, что позволяет получать очень узкие проводники шириной до 0,15 мм и с таким же зазором между проводниками.

Таким образом, технологический процесс изготовления печатных плат электрохимическим (полуаддитивным) способом освобождает от необходимости применять фольгированные медью диэлектрики и обеспечивает повышенную плотность монтажа на платах, что обусловливает возможность в ряде случаев заменить сложные в производстве многослойные печатные платы на двусторонние. Ниже приведены характеристики отдельных операций и условия их выполнения.

Заготовки из стеклотекстолита режутся с учетом технологических полей на одноножевых или многоножевых ножницах. На технологическом поле сверлятся фиксирующие отверстия в соответствии с рекомендациями, изложенными в гл. 2.

Подготовка поверхности производится следующим образом. Обезжиренную поверхность диэлектрика подвергают химической обработке с целью придания гидрофильностн и образования в адгезионном слое микронеровностей. Обработка ведется в две стадии: 1) набухание в водном растворе днметилформамида в течение 1—3 мин с последующей промывкой; 2) травление в растворе состава (г/л): хромовый ангидрид 450—500, серная кислота 200—240 при температуре 50—60 °С в течение 2—5 мин.

Удаление остатков хромовых соединений с поверхности заготовки производится в следующей последовательности; промывка в воде, нейтрализация в растворе NaOH (5—10%), повторная промывка, нейтрализация в растворе HCI (50—100 г/л), еще одна промывка в воде.

В растворе травления хром из шестивалентного восстанавливается до трехвалентного, а раствор разбавляется водой, вносимой заготовками плат. По достижении концентрации Сг3+ до 20 г/л окислительная способность раствора значительно падает и ои подлежит замене или регенерации, которая может быть осуществлена следующим образом.

В ванну завешиваются свинцовые аноды или, если ванна футерована свинцом, ее корпус подключают к положительному полюсу источника тока. Катодами служат свинцовые пластинки, поверхность которых приблизительно в 30 раз меньше поверхности анодов.Через ванну пропускают ток от источника тока с напряжением 18 В, плотность тока на электродах iK = 60-f-65 А/дм2 и i’a —2-^0,5 А/дм2. Раствор подогревается.до температуры 60—65 °С. В процессе электролаза происходит окисление Сг3+ в Сг6+, а вследствие испарения и электролиза воды возрастает концентрация H2SO». Регенерацию постоянным током завершают после того, как содержание Сг3 + снизится до 3—5 г/л. Удобно вести процесс на двух ваннах, в одной из которых происходит регенерация, в то время как другая — эксплуатируется.

С целью замены пожароопасного днметилформамида, а также нежелательного загрязнения сточных вод хромпвои кислотой предложено операцию набухания проводить в растворе состава: мочевина 500—600 г/л и аммиак водный (25 %-ный) 300 мл/л (рН 9—10) при температуре 50 °С в течение 15 мин. И далее после промывки в горячей н холодной воде травление производить в растворе КМпО» с концентрацией 25—40 г/л.

Для удаления продуктов реакции промывку водой чередуют с промывкой в солянокислом растворе гндроксиламнпа (20 г/л) и щелочном растворе трилона Б. Поверхность адгезионного слоя после травления приобретает равномерный матовый оттенок вследствие создания микрошероховатости.

Сверление отверстий, подлежащих металлизации, осуществляют с помощью твердосплавных сверл, по технологии, указанной в гл. 2.

Операции химического меднения предшествует обезжнрбвание в щелочных растворах с добавками ПАВ, а затем активация в совмещенном растворе н химическое меднение в одном из растворов, приведенных в гл. 4.

Этот способ предусматривает получение проводящего рисунка из меди толщиной 25—30 мкм, осажденной химическим способом (толстослойное химическое меднение). При этом слой меди должен иметь плотность 8800—8900 кг/м3, чистоту 99,8—99,9 %, электрическое сопротивление не более 0,0188 Ом-мм и эластичность, характеризующуюся величиной относительного удлинения e=4-f-6% Прочность сцепления меди с диэлектриком должна соответствовать ОТУ и составлять ие менее 0,4 Н/3 мм.

Основные преимущества аддитивного метода следующие: уменьшение количества операций и соответственно производственных площадей и оборудования; равномерность слоя осажденной меди при соотношении толщины платы к диаметру отверстий 10 : 1; высокая плотность монтажа, допускающая возможность создания зазоров между проводниками и ширину их до 0,1 мм; снижение расхода материалов вследствие отсутствия травления; возможность использования для химической металлизации солей меди из травильных отходов; возможность полного исправления дефектных плат после стравливания меди и повторной металлизации.

Технологические процессы изготовления печатных плат определяются типом исходного материала и могут быть представлены в трех вариантах:

1) из диэлектрика с введением в его состав катализатором процесса химического меднения; 2) иа материале СТЭФ-1 с покрытием каталитической эмалью; 3) из диэлектрика для полуаддитивнон технологии.

1. Исходным материалом для плат служит диэлектрик марки СТАМ по ТУ ОЯЩ.503.041—78. Основными операциями технологического процесса являются резка заготовок; сверление отверстий; получение защитного рельефа; подготовка поверхности; химическое меднение, предварительное и толстослойное.

Операции механической обработки выполняются в соответствии с рекомендациями, данными в гл. 2.

. Получение защитного рельефа осуществляется с помощью сухого пленочного фоторезиста СПФ-2.

С целью повышения устойчивости рисунка к длительной обработке в щелочных растворах химического меднения плата подвергается термообработке в воздушной среде при температуре 95+5 °С в течение 30 мии. Подготовка поверхности заключается в травлении

в сернохромовой смеси с последующими промывками и нейтрализацией от остатков СгО{~. Активирование поверхности производится в совмещенном растворе с последующей обработкой в растворе NaOH (20 г/л).

Предварительное химическое меднение производится в тартрат-ном растворе (табл. в течение 15—20 мии. Перед толстослойным меднением следует термообработка тонкого слоя химически осажденной меди при 100 °С в течение 1—2 ч. Толстослойное химическое меднение проводится в трилонатном или тартратном растворе.

2. Исходным материалом для плат служит нефольгированный стеклотекстолит СТЭФ-1. Сверленые заготовки из этого материала покрывают из краскораспылителя эпоксидной эмалью с наполнителем, в качестве пигмента служит двуокись титана ТЮг, к которой добавлено 0,04 % солей палладия. Эмаль ЭП-5215 поставляется по ТУ 6-10-11-19-30—79 (титан IV, окись в рутильной форме, активированная палладием по ТУ 6-09-05—1025—79).

Основные операции технологического процесса следующие: резка заготовок; сверление отверстий; нанесение эмали ЭП-5215 на поверхность и в отверстия; травление; получение защитного рисунка; химическое меднение (предварительное и толстослойное^.

Травление слоя эмали осуществляют в растворе, содержащем 130 г/л хромового ангидрида и 650 г/л серной кислоты. Температура раствора 70 °С, продолжительность — 10 мин, плотность загрузки-— 0,9—1,0 дм2/л.

Предварительное химическое меднение производится в стандартном растворе, минуя активирование, так как катализатор процесса химического меднения находится в слое эмали. Толстослойное химическое меднение и получение защитного рельефа выполняется аналогично предыдущему варианту.

3. Исходным материалом служит диэлектрик СТЭК или СТЭФ-1 -2ЛК (см. приложение 2).

Основными операциями технологического процесса при этом являются резка заготовок; сверление отверстий; подготовка поверхности; активирование; получение защитного рельефа; химическое меднение предварительное и толстослойное.

Существенной особенностью данного технологического процесса является отделение операции активирования от химического меднения, в результате чего химическое восстановление меди происходит на участках, свободных от защитного рисунка, т. е. в отверстиях и на проводниках.

Подготовка поверхности происходит так же, как и в полуаддитивной технологии: заготовки подвергаются обезжириванию, набуханию адгезионного слоя и травлению в смеси СгОз-г-НгЗО,!.

Активирование производится в совмещенном растворе, причем ему предшествует погружение в раствор, содержащий 75—80 г/л NaOH. После промывки в улавливателе следует сушка путем легкого обдувания воздухом. Химическое меднение производится в растворах, как и в предыдущих вариантах.

Одним из вариантов аддитивного метода является процесс под названием «фотоформ», или фотоселективная металлизация. Технологический процесс изготовления печатных плат, разработанный для условий лабораторного или опытного производства, состоит нз следующих операций: сверления отверстий в заготовках из материала типа СТЭК илн СТЭФ-1-2ЛК; подготовки поверхности ди электрика (обезжиривание, травление); нанесения фотоактиватора (фотопромотора) и его подсушки экспонированием проводящего рисунка на плату; проявления рисунка в ванне химического меднения; удаления фотоактиватора с незасвеченных мест; толстослойного химического меднения; отмывки плат от остатков электролитов.

Ключевой операцией процесса является нанесение фотоактиваторов на плату. Фотоактиватором при этом служат весьма сложные по составу растворы, в которых содержатся соединения меди или железа. Составы фотоактиваторов еще недостаточно отработаны для производственных условий, однако некоторые нз них рекомендованы в литературных источниках и представляют весьма сложные смеси органических веществ, например следующий состав раствора фотоактиватора: ацетат меди — 15 г; антрахинондисульфокислота — 3 г; вода — 450 мл; глицерин —"30 мл; лимонная кислота — 30 г; хлорное олово — 1 г; поверхностно-активное вещество — 0,25 мл.

Под действием ультрафиолетового света, проходящего через фотошаблон (операция 4), фотоактиватор разлагается и на экспонированных участках образуется едва заметный для глаза проводящий рисунок из продуктов распада фотоактиватора, служащих катализаторами процесса восстановления меди при химическом меднении.

Таким образом, при выполнении операции 5 происходит образование проводящего рисунка из тонкого слоя химически восстановленной меди. Увеличение слоя меди до толщины 25 мкм происходит в ванне толстослойного химического меднения.

Для обеспечения пайки электрорадиоэлементов платы необходимо подвергнуть покрытию сплавом ПОС-60 горячим способом. Обычно принятая техника лужения в данном случае непригодна, так как слой припоя достигает значительной толщины, что может вызвать образование «мостиков» между проводниками. Покрытие необходимо производить по методике, предусматривающей после погружения плат в расплавленный припой обдувку их горячим воздухом с целью выглаживания слоя припоя и удаления его излишков/

В установках для выполнения этой операции платы, подвергнутые флюсованию, проходят зону подогрева с целью удаления влаги и смягчения термоудара, вызывающих коробление при погружении в расплавленный припой, время выдержки плат в расплавленном припое не должно превышать 4 с. Основная часть установки — воздушные ножи — предназначена для равномерной подачи горячего воздуха по всей длине плат.

Толщина слоя припоя на платах в среднем составляет около 8 мкм.

4. Процесс предусматривает много ручных операций.

5. Операция покрытия сплавом Розе особенно токсична из-за выделения продуктов, содержащих свинец и кадмий.

Недостатком позитивного комбинированного способа является нестойкость фоторезистов на основе поливинилового спирта при выполнении двукратной гальванической обработки, что создает большие трудности в производстве (зачистка, ретушь и т. п.).

Рекомендуется заготовки плат перед активацией промывать в растворе соляной кислоты (50 г/л) во избежание разбавления раствора —активатора водой.

Усиление меди гальваническим меднением лучше производить в ваннах без добавок блескообразователен в любых электролитах. Толщина слоя меди при этом должна составлять 5—7 мкм.

Последующие операции технологического процесса: нанесение защитного рельефа, гальваническое меднение, гальваническое покрытие сплавом олово—свинец, удаление защитного рельефа и травление меди с пробельных мест, осуществляют в соответствии с рекомендациями, приведенными в гл. 4—6 настоящей брошюры.

Существует несколько видоизмененный процесс, названный дифференциальным травлением. В этом процессе нет операции гальванического покрытия сплавом олово—свинец, которое служит метал-ло-резнстом, а при травлении тонкого слоя меди с пробельных мест одновременно вытравливается 5—7 мкм меди с проводящего рисунка. Для того чтобы сохранить заданную техническими условиями толщину проводника, при гальваническом меднении увеличивают толщину меди на 7—10 мкм с учетом вышеуказанного травления металла.

В производственной практике встречаются другие разновидности технологического процесса, отличающиеся от приведенного выше, но в настоящее время они применяются редко, например при изготовлении полосковых плат из иефольгировалных диэлектриков. Характерной особенностью этих процессов является применение жидких фоторезистов, которые наносятся па плату до сверления металлизируемых отверстий.

Рис. 5. Ступенчатый рельеф отверстия в МПП: / — контактная площадка в слое МПП;

2 — изоляционная прокладка; 3 — металлический слой

4. Сушка теплым воздухом.

5. Гидроабразивная обдувка вторичная.

6. Промывка в проточной воде.

7. Промывка с наложением ультразвуковых колебаний. Применяя базовую технологию производства МПП,. можно

получить гибко-жесткую конструкцию плат. В этом случае гибкий общий для двух плат слой изготавливается методом травления фольгироваиного полиимида (приложение 4).

Сборка пакета и прессование всех элементов конструкции производятся одновременно.

С помощью металлизированных отверстий достигаются межс-лойные соединения в том числе и соединения с проводниками гибкого слоя.

В зависимости от метода защиты проводящего рисунка при вытравливании меди комбинированный способ может осуществляться в двух вариантах: негативном, когда защитой от вытравливания служат –краска или фоторезист/ и позитивном, когда защитным слоем служит металлическое покрытие (металлорезист). Названия эти способы получили от фотошаблона, применяемого при создании защитного рельефа: в первом случае при экспонировании рисунка используется негатив печатной схемы, во втором — позитив. Комбинированный метод изготовления печатных плат применяется рядом предприятий с мелкосерийным производством (табл. 2). Негативный комбинированный способ имеет следующие недостатки:

1. При сверлении отверстий на выходе сверла образуются заусенцы и создаются усилия, направленные на отрыв контактной площадки. Для сохранения контактной площадки в конструкции платы предусматривается увеличение диаметра контактной плащадки (ширины пояска) на 0,6—0,8 мм. Это требование приводит к снижению плотности монтажв.

2. В результате вытравливания меди в начале процесса диэлектрик остается обнаженным для воздействия агрессивных гальванических растворов и активных флюсов (НС1) при покрытии сплавом Розе. По этой причине сопротивление изоляции готовых плат на порядок ниже, чем при позитивном процессе.

3. В связи с тем, что гальваническая металлизация осуществляется в приспособлениях, закрывающих отверстия с одной стороны, толщина слоя металла в отверстии очень неравномерна; часто имеют место случаи отслаивания металла при перепайке деталей.

Сборка пакета производится в пресс-форме путем последовательной укладки отдельных слоев МПП и прокладочной стеклоткани, количество листов которой- определяется соответствующей нормативно-технической документацией, например три листа толщиной 0,025 мм для односторонних слоев. При сборке пакета необходимо обращать внимание на правильное ориентирование нитей стеклоткани. Для устранения влияния неровностей поверхности прессформы, разнотолщинности прокладочных листов и т. п. на них укладываются листы триацетатной пленки, кабельной бумаги и других материалов.

Прессование происходит при постоянной температуре (160— 170 °С) в две ступени: первая — при давлении 0,1—0,5 МПа, продолжительности ее — от 10 до 200 мин в зависимости от времени геле-образования, характерного для данной партии стеклоткани; вторая — при давлении от 2 до 3,4 МПа. Давление уточняется для каждой партии стеклоткани на основе результатов анализа при входном контроле. Время выдержки 50—70 мии. После охлаждения пресс-формы и извлечения спрессованного пакета следует обрезка облоя на роликовых ножницах.

Для обеспечения хорошего качества МПП необходимо следить за состоянием помещения. Температура воздуха в помещении должна быть в пределах 23—25 °С, относительная влажность—не более 40%. Помещение должно быть обеспылено, так как попадание пылинок при сборке вызывает образование различных дефектов в МПП.

Получение проводников, а также металлизация монтажных и переходных отверстий производится в основном по вышеприведенной технологии комбинированного метода с дополнительной химико-механической обработкой стенок отверстия для обеспечения прочного сцепления слоя металлизации с торцами контактных площадок в отдельных слоях.

В результате химико-механической обработки создается ступенчатый рельеф на стенках отверстий, который показан на рис. 5. Кроме того, при этом медные торцы контактных площадок хорошо очищаются от эпоксидной смолы, наволакиваемой на них в процессе сверления, а обнаженные нити стеклоткани становятся слегка шероховатыми.

Химико-механическая обработка отверстий включает в себя операции, которые проводятся в следующей последовательности: 1. Гидроабразивная обдувка. Абразивно-водяная пульпа, содержащая электрокорунд зернистостью М40 в отношении с водой 1:4 по массе, прогоняется через каждое отверстие под давлением 0,4—0,5 МПа в специально созданной для этой цели установке.

Обрабатываемый диэлектрик в виде пленочного материала помещается между алюминиевой пластиной и эпоксистеклотканью, по наружной поверхности которой совершает возвратно-поступательное движение подвижный электрод из четырех цилиндров.

На подвижный электрод и алюминиевую пластину подается электрическое напряжение от высокочастотного генератора (20— 40 кГц) величиной 1,4 кВ. Плотность тока, при которой возникают коронные разряды, составляет 1,5 мА/смг. В результате действия коронных разрядов поверхность становится микрошероховатой.

Технологический процесс электрохимической металлизации заготовок при использовании различных пленочных материалов состоит из операций: очистки (обычная), сушки, обработки коронным разрядом активации, обработки в растворе «ускорителя», химического меднения и гальванического меднения.

Шероховатость поверхности можно создать также гидроабразивной обдувкой, направляя абразивно-водяную пульпу под давлением 0,5—0,6 МПа.