Печатные платы

Архив рубрики «ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ»

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.

Определение эластичности медных осадков производят следующим образом. На пластинку из коррозионно-стойкой стали методом фотопечати наносят защитный рисунок таким образом, чтобы последующим гальваническим меднением открытых участков поверхности можно было получить образец для разрыва, форма и размеры которого показаны на рис. 9.

Пластинку с нанесенным на се поверхность рисунком следует обезжирить венской известью, промыть водой, активировать в 10%-ном растворе НС1, промыть водой и вторично активировать в 10 %-ном раствбре HBF4. После тщательной промывки пластинка завешивается в ванну меднения вместе с платами и покрывается по режимам, принятым для плат. Пластинку с осажденной медью высушить сжатым воздухом и снять медь с помощью скальпеля. Толщина медного образца должна составлять 30—40 мкм. На образец с помощью тонкой иглы без мажнма наносятся риски, ограничивающие базу длиной /0 = 30±1 мм.

Измерение базы до и после испытания на разрыв следует производить с точностью ±0,01 мм иа универсальном измерительном микроскопе УИМ. Рие- 9- °6РаэеЦ для разрыва медного Разрыв образцов рекомсн- покрытия дуется производить на разрывной машине типа МР-05-1 при нагрузке до 10 Н. После разрыва обе половинки образца прижать к стеклу а по средней линии измерить расстояние от линии разрыва до рисок. Сумма двух измерений составит величину /„. Относительное удлинение рассчитать по формуле

е =(/„-/») 100//„ %.

Для получения более достоверных результатов производят несколько испытаний п величину в определяют как среднеарифметическую. При проведении испытаний следует иметь в виду, что в свеже-осаждеииом слое меди имеются внутренние напряжения и медь обладает малой эластичностью; через двое суток в результате рекристаллизации внутренние напряжения исчезают и устанавливается стабильное значение е.

Перемешивание электролита барботированием сжатым воздухом или механическими мешалками ие достигает эффекта, так как в зону отверстий диаметром 0,6—0,8 мм не обеспечивается подача свежего электролита и в результате этого осаждение меди на стенки отверстий происходит из сильно истощенного электролита в условиях предельного тока. Лучшие результаты достигаются в том случае, когда платы, жестко закрепленные на катодной штанге, совершают в электролите возвратно-поступательные движения, что обеспечивает хороший обмен электролита в отверстиях.

Хороший контакт платы с подвесочным приспособлением и подвесочного приспособления с катодной штангой необходим для того, чтобы на всех платах осаждалось равное количество меди. При отсутствии контакта может произойти полное или частичное растворение медн, осевшей в начальный период электролиза. Это явление, называемое биполярным эффектом, происходит из-за того, что медненая поверхность платы, не будучи поляризована катодно, ста-

новится анодом по отношению к соседним платам, имеющим хороший контакт с катодной штангой. Для обеспечения хорошего жесткого контакта всех плат с подвесочными приспособлениями необходимо, чтобы платы присоединялись с помощью резьбового соединения или пружинящего контакта.

Длина подвесочного приспособления должна выбираться таким образом, чтобы самая нижняя плата была иа уровне и даже несколько выше нижней кромки анодов, в противном случае происходит значительная концентрация тоКа на нижних платах и в результате образуется «подгорелый» слой меди.

При загрузке вани платами их следует компоновать таким образом, чтобы стороны, обращенные к каждой анодной штанге, имели бы приблизительно одинаковую поверхность, подлежащую меднению. Это обеспечивает получение более равномерных по толщине покрытий иа обеих сторонах платы.

Осветление покрытия. В результате применения щелочных растворов травления оловянно-Свиицовое покрытие частично растворяется в этих растворах и образующиеся продукты растворения в виде темного шлама обволакивают поверхность покрытия и препятствуют выполнении) последующих операций (оплавление или пайка выводов электрорадиоэле*ментов): Для удаления травильного шлама с поверхности покрытия платы погружают в так называемый осветляющий раствор состава: тиомочевина — 80—85 г/л; соляная кислота (1,19) — 50—60 мл/л; этиловый спирт или синтанол ДС-10— 5—6 мл/л; продукт ОС-20—8—10 мл/л. Температура раствора 18— 25 °С, продолжительность обработки 1—1,5 мин.

Раствор приготовляют следующим образом. Ванну (1/5 объема) заполняют водой и вливают в нее соляную кислоту. Затем отдельно растворяют тиомочевину и вливают полученный раствор в ванну.

К смеси приливают спирт и продукт ОС-20, после чего доливают ванну водой до уровня.

С целью снижения стоимости расходуемых материалов можно применять технические продукты: тиомочевину по ТУ 6-09-4041—75; этиловый спирт.

Операцию осветления можно проводить в растворах, отличающихся по составу от вышеприведенного.

Так, например, фторборатный раствор состава: борфтористо-водородная кислота — 100 мл, тиомочевина — 100 г, смачиватель ОП-7—10 мл, вода — до 1 л осветляет покрытие при температуре 50— 60 °С в течение 1—2 мин.

Оплавление покрытия. Гальваническое покрытие олово—свинец типа ПОС-60 представляет собой эвтектический сплав, температура плавления которого 183 °С. Покрытие поэтому легко расплавляется и в жидком виде стекает с поверхности проводников на их боковые стенки, как показано на рис. 10. Оплавление покрытия — несложная операция, но она обеспечивает получение ряда преимуществ, поэтому применяется в производстве более ответственных по назначению плат. Оплавление покрытия преследует следующие цели: превратить губчатую и склонную к коррозии поверхность в гладкую блестящую; защитить боковые стенки проводников от коррозии и электрокоррозии в случае, если два соседних проводника в условиях эксплуатации разнополярны; улучшить способность к пайке после длительного (более 1 г) хранения; устранить «навесы» металла по кромкам проводников; исключить возможность роста нитевидных кристаллов («усов») в условиях длительного хранения, и эксплуатации; снизить на 15—20 °С температуру расплавленного припоя при пайке на волне; исключить нз технологического процесса операцию горячего облуживания; контролировать качество проводящего рисунка, так как операция оплавления является достаточно жестким испытанием для плат.

Оплавление осуществляют погружением в жидкий теплоноситель или воздействием инфракрасного излучения. В первом случае в качестве теплоносителя применяют жидкости, обладающие устойчивостью при температурах 220—240 °С, и негорючие — при этих же условиях. Такими жидкостями являются

Лапрол (ТУ 6-05-1679—74), масло ТП-22 (ТУ 38-1013-60— 73), олиго-эфир ОЖ-1 (ТУ 6-05-221-489—81). Оплавление обычно производят погружением на 15 с в нагретый до 230± 10 °С теплоноситель. Наиболее эффективным является оплавление на волне теплоносителя ОЖ-1 в автоматической установке, аналогичной установке для пайки на волне припоя, в которой контакт платы с жидкостью длится не более 5 с при температуре жидкости 220—230 °С. После оплавления покрытия жидкость ОЖ-1 смывается горячей водой. В случае использования масла ТП-22 отмывка его производится трихлорэтиленом.

Рис. 10. Защитное покрытие олово—свинец до (а) и после (6)

оплавления: / — печатный проводник; 2 — покрытие олово—свинец

Операцию отмывки лучше всего производить в установках, где струйная промывка сочетается с механическим воздействием вращающихся щеток. В последней секции отмывочного агрегата устанавливаются валки, которые отжимают воду с поверхности плат.

Сушка плат может осуществляться с помощью ТЭНов или керамических нагретых панелей, которые испаряют влагу за счет инфракрасного излучения во время перемещения платы по конвейеру между нагретыми поверхностями.

Оплавлению в инфракрасных лучах предшествует флюсование в спиртоканифольном флюсе или в растворе состава (масс, доли, %): олеиновая кислота — 20; этиловый спирт — 35; продукт ОС-20—45. Вязкость флюса по ВЗ-4 равна 12—15 с.

Раствор приготавливают посредством смешивания олеиновой кислоты со спиртом и затем в нагретую до 45—55 °С смесь вводят при помешивании продукт ОС-20. Флюс наносят окунанием и подсушивают на воздухе в течение 3—5 мин. Продукт ОС-20 по истечении нескольких дней употребления флюса выпадает в осадок, поэтому периодически флюс необходимо прогревать для растворения этого продукта.

В установках для оплавления в инфракрасном излучении скорость конвейера меняется для того, чтобы продолжительность облучения,увеличивалась по мере увеличения толщины платы. Так, для плат толщиной 1 мм скорость конвейера 1,2—1,3 м/мин, а для плат толщиной 2 мм скорость конвейера 1,0—1,1 м/мин.

Для защиты плат от коробления применяют рамки из текстолита, в которые вставляются платы перед укладкой их на конвейер. После оплавления флюсы смываются: спирто-канифольный — в спирто-бензиновой смеси; олеиновый — в теплой воде (50—55 °С) в течение 5—10 мин. Качество отмывки водорастворимых флюсов и жидких теплоносителей можно значительно повысить, используя ультразвуковые установки.

Следует обратить внимание на то, что толщина оловянно-свинцового покрытия на платах должна быть минимальной (не более 15 мкм), в противном случае происходят большие наплывы металла в отверстиях, каплеобразоваиие и другие дефекты.

. :…… . . 30—40

Лимоннокислый калий трехзамещенный . . 30—40

Сернокислый никель или кобальт….. 1—2

Температура, °С………. . . 35—45

Катодная плотность тока, А/дм5 . ….. 0,4—0,7

Выход по току, %….. . … 95—98

Аноды изготовлены из платинированного титана. Электролит периодически продувается азотом для вытеснения растворенного кислорода, который восстанавливаясь на катоде, снижает выход по току.

Скорость осаждения золота 1 мкм за 7 мин. В течение первых 5—10 с работы рекомендуется плотность тока 1—1,5 А/дм2.

Состав и режим работы электролитов серебрения представлены ниже.

Электролит 1 Электролит 2

Электролит 1 и 2 идентичны по составу и отличаются способами приготовления. В электролите 1 дицианаргентат (в малых количествах) образуется при реакции взаимодействия солей серебра с железистосинеродистым калием. В электролите 2 дицианаргентат применяется в виде готового продукта, поставляемого по ТУ 609-451—70.

Состав (г/л) и режим работы электролита палладироваиия следующие:

Хлористый палладий………..18—25

Хлористый аммоний………..15—20

Аммиак водный, 25 %-ный, мл/л…….2—5

Малеиновый ангидрид………..0,15

Температура, °С………….18—25

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

рН ……………..8,5—9,5

Скорость осаждения равна 1 мкм за 4 мнн при k—\ А/дм2. Аноды нерастворимые: платинированный титан, палладий. Последний частично растворяется и расход палладиевых анодов (до 10%) необходимо учитывать в нормативах иа соль палладия.

Химические покрытия. Химические (бестоковые) покрытия применяют в тех случаях, когда на проводящий рисунок очень трудно наносить гальванические покрытия вследствие того, что проводники разрознены и не замкнуты в одну электрическую цепь.

Подобная проблема возникает, например, при изготовлении плат по аддитивному методу, когда проводники получаются химическим осаждением меди и гальванические операции исключаются из технологического процесса.

В качестве бестокового покрытия получил применение процесс химического оловянирования и осаждение слоя олова, легированного кадмием.

Процессы осаждения чистого олова осуществляются погружением печатных плат в раствор состава (г/л):

Хлористое олово………….10—20

Тиомочевина…………..80—90

Соляная кислота (у = 1190кг/м3), мл/л…..15—17

Хлористый натрий…………75—90

Температура раствора 55—5б°С, продолжительность операции 25—30 мин, толщина осаждаемого слоя олова до 2,5 мкм.

Процесс осаждения олова, легированного кадмием, происходит в растворе следующего состава (г/л) :

Хлористое олово ………….. 8

Хлористый кадмий …… ……. 6

Серная кислота ………….. 40

Тиомочевииа…………… 45

Температура раствора 18—25 °С, продолжительность операции 20—30 мин, толщина слоя покрытия составляет 2—3 мкм.

В обоих случаях растворы служат для покрытия 50 дм2 поверхности в 1 л раствора, после чего заменяются свежцми. В отработанных растворах оставшееся неизрасходованное олов.о .осаждается щелочью в виде гидроокисей и после отмывки его можно повторно использовать для приготовления свежих порций раствора.

Химически осажденные покрытия оловом и сплавом олово—кадмий обеспечивают хорошее растекание припоя при пайке радиоэлементов на волне припоя, сохраняют эту способность значительно дольше, чем гальванически осажденное олово и на таких тонких покрытиях еще не было замечено случаев образования нитевидных кристаллов («усов») при длительном хранении.

в состав которого введена блескообразующая добавка «Меданит», поставляемая Болгарской Народной Республикой, для использования ее в процессах декоративной металлизации пластмасс при получении блестящих осадков меди обладает высокой производительностью и обеспечивает получение очень гладких медных покрытий с достаточно хорошей рассеивающей способностью.

Сравнительная оценка свойств некоторых электролитов по способности улучшать равномерность распределения металла по толщине как в отверстиях, так и на проводниках при гальваническом меднении

плат представлена в табл. 15, где приняты следующие обозначения: А — толщина платы, мм; d — диаметр отверстия, мм; в0« — толщина слоя меди в отверстиях, мкм; 6пр — толщина слоя меди иа проводнике, мкм.

Таблица IS. Характер распределения меди на печаткой млате

Разъемы печатных плат, или конечные контакты, служат для электрического соединения блоков на печатных платах между собой с помощью соединительных колодок.

Для обеспечения хорошего электрического соединения между пружинками колодки и проводниковыми полосками разъема необходимо покрытие, обладающее малым переходным сопротивлением, хорошей износоустойчивостью и отсутствием каких-либо пленок, ухудшающих контактные свойства.

Золото. Всем требованиям, предъявляемым к контактным покрытиям, в наибольшей степени удовлетворяет покрытие из сплава золото—никель илн золото—кобальт с содержанием легирующего элемента до 0,6 % (твердое золото) [2]. Толщина слоя золота — 2,5 мкм. Другие металлы, как показано ниже, уступают этому покрытию по различным причинам.

Палладий. Обладает хорошей износостойкостью и более низкой стоимостью, однако на его поверхности вследствие каталитических свойств палладия со временем образуются полимерные пленки из органических продуктов, находящихся в воздухе. Из-за образования пленок нарушается контакт. Для покрытия разъемов палладий можно применять в условиях хорошо вентилируемой аппаратуры. Толщина слоя палладия 2,5—6 мкм.

Родий. Имеет наибольшую износоустойчивость и твердость, но естественные окисные пленки и склонность к образованию полимерных пленок ухудшают его контактные свойства. Родий является самым дорогим из группы драгоценных металлов и с учетом всех его свойств рекомендуется для покрытия контактов переключателей и кодовых дисков, рассчитанных на миллионы переключений при высоких контактных давлениях. Толщина слоя родия определяется требованиями к условиям контактирования.

Серебро. Это наиболее дешевый из металлов, применяемых для контактов, обладает самой высокой электропроводностью, однако быстро темнеет в результате воздействия серосодержащих продуктов, обладает плохой износостойкостью и легко корродирует. Серебряное покрытие рекомендуется длля малоответственных систем, когда контактная пара эксплуатируется в легких условиях при отсутствии сернистых соединений в воздухе. Толщина слоя серебра 6—15 мкм.

Никель. Применяется в качестве подслоя перед золочением с целью повышения износоустойчивости слоя золота за счет повышения твердости подложки. Подслой никеля улучшает также коррозионную устойчивость покрытия, исключая возможность окисления меди через поры золотого покрытия. Кроме того, подслой никеля препятствует диффузии меди в золотое покрытие и обеспечивает этим постоянство величины переходного сопротивления в процессе длительной эксплуатации и хранения золоченых контактов. Толщина никелевого подслоя 6—9 мкм.

Состав (г/л) и режим работы электролита золочения следующие:

Дицианаурат калия (в пересчете иа золото) . . 8—10

Повышенная рассеивающая способность электролита с добавкой «ЛТИ» (электролит 3) имеет очень важное значение для производства, так как применение этого электролита позволяет уменьшить продолжительность процесса меднения на 50—60 % и соответственно сократить расход меди. При использовании фторборатных или кремне-фторидных электролитов, обладающих низкой рассеивающей способностью, иа проводниках и особенно на удаленных, осаждается весьма толстый (70—100 мм) слой меди с неровной поверхностью, что препятствует получению качественной влагозащиты при лакировке блоков на печатном монтаже из-за стекания лака с шишковатых наростов меди на кромках проводников.

Чрезвычайно важное значение имеет эластичность осаждаемого слоя меди, так как в условиях эксплуатация платы подвергаются значительному нагреву и происходит тепловое расширение материала, из которого изготовлена плата, и слоя меди. Коэффициент линейного расширения эшжсидиой смолы почти в 5 раз больше коэффициента линейного расширения меди (ai = 9,2>10-5 мм/мм °С и (Х2=1,77Х ХЮ~Е мм/мм °С), поэтому в результате термоударов в слое меди, осажденном на стенках отверстий, возникают значительные напряжения и, если медь недостаточно эластична, происходит ее разрыв, а разрыв меди в переходном отверстии приводит к выходу нз строя всего блока.

Расчеты показывают, что на многослойной плате толщиной 2 мм удлинение по оеи z при лайке на волне припоя при температуре / = 250 °С составляет: для диэлектрика — 0,048 мм; для меди — 0,009 мм. В этом случае слойГдолжен «вытянуться» почти на 40 мкм и, если относительное удлинение меди менее 3 %, неизбежен ее разрыв.

Учитывал вышеизложенное, необходимо обращать большое внимание иа эл^тичиость осаждаемой меди, которая с учетом ужесточенных эксплуатационных требований к печатным платам, должна составлять по величине относительного удлинения не менее 6 %. Испытаниями качества медных осадков, полученных из различных электролитов, установлено, что в свежих электролитах величина относительного удлинения меди составляет: для электролита 3 — 9— 11 %, для электролита 4 — 3—4% и для фторборатного электролита — 3—5,5 %.

В результате накопления в электролитах органических примесей, вследствие агрессивного воздействия электролитов иа фоторезисты, краски и диэлектрические материалы платы эластичность меди значительно снижается, причем в фторборатных электролитах, как более агрессивных, это явление происходит быстрее. Попадание в электролиты органических примесей обусловливает не только снижение эластичности меди, но ухудшение электропроводности, Так, чистая медь имеет удельное электрическое сопротивление 0,020 Ом-мм, а для меди, осажденной в электролитах 2—4, эта величина составляет — 0,026 Ом-мм и по мере накопления органических примесей она возрастает на 25—30 %.

Сопоставляя свойства меди, осажденной из различных электролитов, а также’ оценивая свойства электролитов, легко сделать вывод о том, что сульфатный электролит меднения (электролит 3), содержащий выравнивающую (блескообразующую) добавку «ЛТИ», наиболее перспективен, так как он обеспечивает получение эластичных осадков меди с высокой равномерностью и скоростью осаждения. Компоненты электролита доступны и дешевы. Электролит весьма удобен в эксплуатации, так как он не требует нагрева, легко приготавливается и корректируется. Аноды хорошо растворяются и этим поддерживается стабильная концентрация солей меди в электролите. В качестве анодов для данного электролита рекомендованы мед-но-фосфористые аноды марки АМФ, содержащие до 0,06 % фосфора. Такие аноды растворяются более равномерно, без шламо-образования.

Приготовление и корректирование сульфатного электролита с добавкой «ЛТИ» производится следующим образом. Ванны заполняются дистиллированной водой на 1/2 или 2/3 объема. В воду, осторожно, при непрерывном помешивании, вводится серная кислота, раствор при этом нагревается до температуры 50—60 °С. В горячий раствор вводится медный купорос и при непрерывном помешивании и подогреве он полностью растворяется. Затем ванна доливается до уровня дистиллированной или деионизованной водой. Для обеспечения достаточной чистоты приготавливаемого электролита в полученный раствор вводится активированный уголь из расчета 2—3 г/л, смесь хорошо перемешивается и через 30—60 мин фильтруется в рабочую ванну.

Защитные покрытия проводящего рисунка на платах должны выполнять в основном две функции: защиту проводников при вытравливании меди, т. е. роль металлорезиста, и пайку выводов радиоэлементов [6, 9].

В качестве металлорезиста могут быть использованы различные сплавы олова, серебро, золото, однако при пайке на волне расплавленного припоя хорошую растекаемость припоя с применением канифольных флюсов обеспечивает только сплав олово—свинец, соответствующий эвтектическому сплаву ПОС-60.

Другие сплавы олова и чистое олово для покрытия печатных плат непригодны не только из-за быстрой потери способности к пайке на волне припоя, ио и вследствие склонности покрытий к иглообра-зованию после длительного хранения и практической невозможности их оплавления.

Особую ненадежность плат при длительном хранении и монтаж-но-сборочных операциях создает введенное в практику некоторых предприятий покрытие олово—кобальт и олово—висмут с содержанием легирующих присадок в количестве 0,005—0,05 %. В условиях серийного производства эти присадки исчезают из покрытия и на проводниках получается по существу покрытие из чистого олова, которое, как хорошо известно, быстро теряет способность к пайке, подвержено разрушению при низких температурах и росту очень прочных, пронизывающих любые материалы игольчатых кристаллов («вискеры», «усы»). Даже при наличии указанных присадок на отдельных предприятиях, применивших покрытия олово—кобальт и олово—висмут, имели место случаи иглообразования, а плохая способность к пайке вынудила предприятие применить дополнительное лужение сплавом Розе, что ведет к чрезвычайно нерациональному расходу олова и других ценных металлов (висмут). Серебро, применявшееся для этой же цели на отдельных предприятиях, в настоящее время исключено из производственной практики как драгоценный металл и как металл, способный к миграции в диэлектрик, что приводит к снижению электроизоляционных свойств печатных плат.

Олово легко образует электролитические сплавы со свинцом, в которых соотношение олова и свинца зависит от состава электролита и режимов электроосаждения.

Концентрация солей олова и свинца в электролите определяет и соотношение металлов в осадке, однако при одном и том же составе электролита имеет место значительный разброс в составе сплава в зависимости от содержания поверхностно-активных веществ. Так, например, при снижении содержания олова в сплаве в электролит добавляют столярный клей, вследствие чего возрастает содержание олова. Это явление обусловлено тем, что некоторые поверхностно-активные вещества, увеличивая катодную поляризацию более электроположительного металла, т. е. свинца, снижают скорость его осаждения по сравнению с осаждением олова, в результате чего увеличивается содержание олова в сплаве.Это имеет большое значение при нанесении покрытия на печатные платы, так как условия осаждения сплава олово—свинец в отверстии и на прьводнике значительно отличаются. Вследствие большого различия в плотности тока сплав олово—свинец на проводнике более богат оловом, чем сплав в отверстии. В результате этого смачиваемость припоем стенок отверстий и контактных площадок различна, что отрицательно влияет на качество пайки, осуществляемой иа волне припоя. С целью обеспечения хорошей растекаемости припоя следует применять также электролиты, которые позволяют получать одинаковый по составу сплав в большом диапазоне рабочей плотности тока. Стабильный по всей плате состав сплава необходим также и для того, чтобы обеспечить качественное выполнение операции оплавления.

В производстве печатных плат получили распространение фторборатиые электролиты, обеспечивающие осаждение сплава, содержащего 60 % олова. Состав приведен в табл. 17.

Таблица 17. Электролиты для получения олово-свинцового покрытия

Скорость осаждения сплава при плотности тока 2 А/дм2 — 1 мкм/мии.

Электролит 1 (ГОСТ 23770—79) широко применяется в гальванотехнике для покрытия металлических деталей. Неоднородность состава сплава иа отдельных участках печатных плат колеблется в пределах 40—60 % по олову, поэтому сплав плохо оплавляется и при моитажио-сборочных операциях возникает необходимость горячего облуживаиия плат припоем ПОС-60.

Электролит 2 рекомендован отраслевой нормативно-технической документацией для покрытия печатных плат. Значительное увеличение содержания борфтористоводородиой кислоты по отношению к солям олова и свинца обеспечивает достаточно однородный состав сплава

прн различных плотностях тока в пределах 0,5—2,0 А/дм2. Однако повышенное содержание HBF4 обусловливает более агрессивное воздействие электролита на фоторезисты, а фоторезист на основе поливинилового спирта слабо устойчив в нем, что приводит к так называемым пробоям в процессе ианесения гальванического покрытия. Корректирование электролита по основным компонентам производится по данным химического анализа не реже двух раз в месяц; корректирование электролита по добавочным компонентам (пептон, клен и др.) — па основе данных табл. 17, определяющей причины тех или иных неполадок, связанных с присутствием ПАВ.

По мере накопления органических примесей производится периодическая очистка электролита от них посредством обработки активированным углем с последующей фильтрацией. В результате подобной обработки теряются органические добавки, введенные в электролит при его приготовлении, поэтому необходимо эти добавки вводить в полном объеме в соответствии с заданным составом (табл. 18).

С целью замены дорогостоящей борфтористоводородной кислоты иа более дешевый материал на ряде предприятий применяют кремие-фторидпые электролиты, полученные на основе кремнефтористо-

Таблица 18. Основные неполадки при покрытии сплавом олово—свинец

водородной кислоты HiSiFe, являющейся отходом производства фосфорнокислых удобрений и поэтому более дешевой и доступной.

Состав электролита (г/л)

Кремнефторид свинца……….. 17—25

Кремнефторид олова . . . „……. 50—80

Кремнефтористая кислота (свободная)….. 40—60

а-нафтол …………… 0,2

Тиомочевина………….. 12—13

Желатина…………… 2

Температура электролита — 18—25 °С, катодная плотность тока для получения сплава, содержащего 60 % олова, должна составлять 1,3—1,5 А/дм2. При отклонениях плотности тока от этих значений состав сплава изменяется в соответствии с законами электрохимии.

Для электроосаждеиия сплава олово—свинец с содержанием олова 60±5 % институтом неорганической химии АН Латв. ССР разработан электролит следующего состава (г/л) [6]:

Олово (в пересчете иа металл)……..35—40

Свинец (в пересчете на металл) ……. 20—25

Пирофосфат калия, свободный……..130—250

Солянокислый гидразин……….8—12

Добавка ДДДМ…………. 1,0

Гидролизованиый клей………. 1,5

Величина рН 8,3—8,9. температура электролита 18—28 "С, катодная плотность тока 2—4 А/дм2.

Солянокислый гидразин стабилизирует содержание Sn2f. предотвращая его окисление до четырехвалентного состояния.

Добавка ДДДМ представляет собой соединение: 4,4 днамино 3,3 диметокенднфенилметаи и в сочетании с клеем обуславливает постоянство содержания олова в сплаве в рабочем интервале плотностей тока.

Основным преимуществом пирофосфатного электролита является его меньшая агрессивность по отношению к фоторезисту, чем у фторборатиого электролита, поэтому в нем меньше накапливается продуктов разложения, которые включаясь в покрытие, ухудшают его качество.

Для обеспечения постоянства состава сплава, а также стабильности его физико-химических свойств необходимо руководствоваться следующими рекомендациями.

1. Перемешивание электролита осуществляют медленным покачиванием плат в процессе электролиза (период качания 1—2 с) Более интенсивное покачивание вызывает снижение катодной поляризации свинца и его увеличение в составе сплава.

2. Во избежание Заноса в электролит сульфат-иона перед нанесением покрытия операцию активирования проводят в 10 %-ном растворе борфтористоводородиой кислоты и без промывки переносят платы в ванну для покрытия сплавом.

3. Аноды из сплава олово—свинец с 60 %-ным содержанием олова it 40 %-ным — свинца применяют в виде металла, поставляемого по ТУ 48-13-20—77.

В том случае, если они готовятся на месте сплавлением свинца и олова, следует следить за тем, чтобы в этих металлах примеси меди, висмута, сурьмы, мышьяка н железа ие превышали 0,003 % от каждого вида примесей.

4. С целью исключения возможности накопления меди в электролите необходимо не допускать падения плат на дно ванны и не поднимать уровень электролита в вание выше крючков, иа которых висят аноды.

Удаление сплава олово—свинец с разъемов печатных плат производят химическим растворением покрытия в одном из следующих

растворов: раствор 1—борфториставодородная кислота (330 мл), пергидроль (70 мл), вода (до 1 л). Температура раствора 18—25 °С. Продолжительность обработки 3—5 мин; раствор 2 — азотная кислота (400—500 мл/л), фторборатная медь (5—10 г/л), препарат ОС-20 (2—5 г/л). Температура раствора 18—25 °С, скорость растворения 3—4 мкм/мин.