Печатные платы

Архив рубрики «ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПРИ ХИМИЧЕСКОМ МЕДНЕНИИ»

ства печатных плат применяют фоторезисты иа основе поливинилового спирта (ПВС), фоторезисты иа основе диазосоединений, ФПП и фоторезист «холодная эмаль».

Фоторезист на основе ПВС. Поливиниловый спнрт — синтетический полимер, хорошо растворимый в воде. При добавлении к нему бихромата аммония происходит «очувствление» ПВС и превращение его в фотополимериый материал. По ГОСТ 10779—78 выпускается ПВС марок 7/1, 11/2 и 15/2 для производства печатных плат.

Фоторезист, содержащий 70—120 г/л поливинилового спирта, 8— 10 г/л двухромовокислого аммония и 100—120 мл/л этилового спирта, обычно наносится в два слоя окунанием в него плат и медленным вытягиванием их из раствора. Первый слой подсушивается при 25— 35 °С в течение 20—30 мии, второй — при температуре 35—45 °С в течение 60 мин. Экспонирование изображения осуществляется в вакуумных рамах под действием ртутно-кварцевых ламп ДРГТ-3000 в качестве источников света. Проявление изображения производится следующим образом: вначале плату погружают в раствор метил-внолета (2—3 г/л) на несколько секунд, а затем, окунув ее в теплую воду, или под струей теплой воды поверхность платы протирают с помощью поролоновой губки. Окрасканужна для контролирования качества проявления. После, промывки в воде следует химическое дубление в растворе хромовой кислоты (50 г/л) в течение 1—2 мин. После тщательной промывки и сушки воздухом производят термическое дубление при температуре 100—120 °С в течение 3 ч для придания фоторезисту повышенной химической стойкости.

Фоторезист на основе ПВС нетоксичен, обладает хорошей разрешающей способностью (50.линий на 1 мм), прост в приготовления" и употреблении. Однако он обладает и рядом недостатков: «тем-новое дубление» (задубливаиие в темноте), нестабильность свойств под влиянием повышенной влажности и. температуры окружающей среды, недостаточная устойчивость против воздействия растворов гальванических ванн и особенно борфтористоводородных электролитов.

«Темновое дубление» влечет за собой повышенный процент брака иа операции получения защитного рисунка. Оно является результатом окисления фоторезиста свободной хромовой кислотой, которая образуется вследствие гидролиза двухромовокислого аммония, входящего в состав фоторезиста. «Темновое дубление» усиливается с увеличением влажности воздуха и повышением температуры, а также при длительном (более 3 ч) хранении заготовок с нанесенным фоточуаствительным слоем. Повышенная влажность и температура окружающей среды, кроме того, ухудшают механическую прочность и адгезию фото-чувствительного слоя.

Фоторезисты на основе дназосоединений. Эти фоторезисты являются позитивными по способу образования рисунка, т. е. при экспонировании они разрушаются под действием света. Фоторезисты этого типа характеризуются очень высокой разрешающей способно-ностью (350—400 линий на 1 мм), отсутствием «темнового дубления» и повышенной химической стойкостью, однако они еще очень дорогие, токсичные и применяются только в технически обоснованных случаях. Светочувствительность обусловлена наличием «диазогрупп» — N = N —, которые под действием света разлагаются и образуются продукты в виде сложных органических кислот. Эти продукты в щелочной среде образуют хорошо растворимые соли, которые способствуют проявлению рисунка.

Фоторезист ФПП. Фотополимер для печатных плат ФПП выпускается в виде готового продукта по ТУ НУО. 028.012. Фоторезист обладает хорошей устойчивостью к электролитам, механически прочен, имеет хорошую адгезию к подложке и большую разрешающую способность.

Однако высушенный слой фоторезиста весьма чувствителен к кислороду, который ингибирует эффект фотополимеризации. Для защиты от воздействия кислорода фоторезист покрывают лавсановой пленкой или наносят тонкий слой ПВС.

Фоторезист «холодная эмаль» является продуктом, аналогичным фоторезисту ФПП, и приготавливается непосредственно на предприятии из отдельных компонентов, к которым относятся бензол-форм альдегидная смола, сухой сополимер, полиэфир ТГМ, гидрохинон, метилвиолет, растворенный в этиловом спирте (на 1 л фоторезиста необходимо 820 мл спирта).

Этот тип фоторезиста также обладает рядом преимуществ перед составом иа основе ПВС, в частности большей химической стойкостью, прочностью, стабильностью, и характеризуется отсутствием «темпового дубления».

Формирование защитного рельефа с помощью фоторезиста ФПП производится в той же последовательности операций, что и для фоторезиста ПВС. /

Проявление рисунка производится раствором двууглекислого натрия (концентрацией 40 г/л) или соды кальцинированной (концентрацией 40 г/л) при температуре 35—40 °С.

В операции дубления нет необхрдимости, так как защитный рисунок создается весьма устойчивой пленкой.

Из отработанного проявителя можно утилизировать фоторезист, добавляя к проявителю 10 %-ный раствор серной кислоты до рН 5—6 (по индикаторной бумаге).

Компоненты фоторезиста выпадают в осадок, который отфильтровывается бумажным фильтром, подсушивается на воздухе и вторично используется для приготовления фоторезиста в виде спиртового раствора.

Существенным недостатоком жидких фоторезистов всех типов является почти полная невозможность их использования в базовой технологии для нанесения на заготовки плат с просверленными отверстиями, так как при заливке отверстий жидкими фоторезистами образуются вытяжки, неровности и другие дефекты, затрудняющие фотопечать.

Другим их недостатком является малая толщина слоя защитного рисунка, вследствие чего при гальванических операциях осаждаемый металл, разрастаясь, образует грибовидную форму проводника. Однако использование фоторезиста ФПП в базовой технологии имеет место в тех случаях, когда фоторезист наносится на заготовку с металлизированными отверстиями на валковых установках. Тогда он не попадает в отверстия.

Для защиты при экспонировании поверхностного слоя фоторезиста от воздействия кислорода и озона на плату наносят окунанием слой желатины, который легко удаляется в процессе проявления. Основные характеристики жидких фоторезистов приведены в ГОСТ 23727—70.

Установка натяжения сетки ПУНС-901 предназначена для равномерного натяжения капроновой или металлической сеток с заданным усилием и приклеивания их к трафаретной форме. На установке выполняются следующие операции: загрузка трафаретной формы, укладка сетчатого полотна и закрепление его в зажимах, увлажнение сетки (капроновой), натяжение сетки, приклеивание сетки, сушка клея (в. естественных условиях), обрезка сетки по контуру формы. Проверка идентичности натяжения сетки осуществляется специальным прибором, входящим в комплект установки. Максимальные размеры формы668X648 мм, минимальные — 150X 100 мм. Способ натяжения сетки пневматический; максимальное движение воздуха, подаваемого в пневмоцилиндры, 0,6 МПа.

Установка экспонирования сетчатых трафаретов УЭСТ-901 рассчитана на экспонирование сетчатых трафаретов с нанесенным фоторезистом «фотосет», ФПП, а также для экспонирования пигментной бумаги. Установка предусматривает возможность экспонирования форм размером до 660 X 640 X 20 мм. Источник света — И люминесцентных ламп ЛУФ-80. Прижим фотошаблона к трафарету — вакуумный.

Установка проявления трафаретных форм УПТФ-901 предназначена для выполнения следующих операций: загрузки трафаретной формы в формодержатель, проявления рисунка схемы проявляющим раствором, промывки водопроводной водой, продувки сжатым воздухом, сушки нагретым воздухом. Установка предусматривает проявление форм размером до 600 X 640 мм. Проявляющий раствор (вода, раствор соды или этиловый спирт) подается из форсунок с температурой от 18—20 до 45—65 °С.

Станок для заточки ракелей осуществляет заточку ракелей нз полиуретана абразивным методом шлифования.

Сухие пленочные фоторезисты СПФ представляют собой трехслойную композицию, в которой первый и третий слои — защитные, а средний слой представляет собой собственно фоторезист весьма сложного состава. "Основу фоторезиста составляют мономеры с двойными связями, способные к полимеризации под действием света, и полимерные связующие. В состав фоторезиста вводятся также сенсибилизаторы, игпбиторы, адгезивы, красители и пластификаторы. Структура фоторезиста представлена на рис. 7.

Импортные сорта фоторезиста типа «Ристон» выпускаются в четырех модификациях и имеют толщину слоя 12,5; 25; 37,5 и 62,5 мкм.

Отечественные пленочные фоторезисты марок СПФ-1, СПФ-2, выпускаемые по ТУ6-17-359—77, имеют толщину пленки 20, 40 и 60 мкм. Некоторые свойства СПФ-2 описаны в ГОСТ 23727—79.

Пленочные фоторезисты значительно технологичнее жидких, обеспечивают возможность панесення рисунка схемы иа заготовки с отверстиями, обладают высокой стойкостью к действию травильных растворов и к электролитам гальванических ванн. Их разрешающая способность обеспечивает получение минимальной ширины проводников и зазоров 0,15 мм. Сухие пленочные фоторезисты наносятся

фоторезист; 3 — пленка лавсана полиэтиленовой пленки;

2 — рулон фоторезиста;

3 — отделительный валик;

4 — прижимной валик:

5 — плата

на платы посредством прокатывания их горячим валиком через защитную лавсановую пленку в установках-ламинаторах. Температура валиков 100—120 °С. Защитная полиэтиленовая пленка перед этим отделяется н наматывается иа вспомогательную бобину.

Схематически операция иаиесеиня СПФ представлена на рис. 8. В том случае, когда СПФ наносится с целью защиты от вытравливания, используют фоторезист толщиной 20 мкм; для гальванических операций применяют пленку толщиной 40—60 мкм.

Следует иметь в виду, что в процессе ламинирования (накатки) выделяются газообразные продукты в виде хлорированных углеводородов — хлористый метилен и трихлорэтнлен, которые относятся к категории весьма токсичных веществ, поэтому в установках для ламинирования предусматривается вытяжная вентиляционная система. После накатки СПФ платы выдерживают а течение 30 мин при комнатной температуре в помещении с желтым светом (так называемое «неактииичиое» освещение) для снятия внутренних напряжений в пленке. Экспонирование производят через прозрачную лавсановую пленку так же, как и для жидких фоторезистов, применяя ультрафиолетовый источник света в виде ртутно-кварцевых ламп с’диапазоном спектра 300—400 им. Продолжительность экспонирования определяется опытным путем. Перегрев платы недопустим, так как при этом происходит прилипание защитной лавсаиоаой пленки к фоторезисту. После экспонирования заготовка плат выдерживается в течение 20—30 мни в затемненном месте для того, чтобы завершился процесс полимеризации тех участков фоторезиста, на которые воздействовал свет. Проявление изображения рисунка производится в установках струйного типа действием растворителя метилхлороформа в течение I—2 мин.

Удаление фоторезиста по окончании операции травления или гальванического покрытия сплавом олово—свинец производят также распылением растворителя хлористого метилена под более сильным давлением (0,3—0,4 МПа). С целью более полного удаления остатков фоторезиста и пленок органических материалов платы дополнительно подвергают струйной промывке водой под давлением 0,2—0,3 МПа.

При обработке СПФ следует иметь в виду, что растворители — метил хлороформ и хлористый метилен — негорючи, но чрезвычайно токсичны. Поэтому все операции, связанные с их применением, должны производиться в хорошо загерметизированных установках, оснащенных вытяжными устройствами.

В установках для проявления и снятия фоторезиста предусматривается замкнутый цикл использования растворителей. После орошения плат растворители поступают в дистиллятор и чистые растворители перекачиваются на повторное использование. Кубовые остатки от дистилляции периодически извлекаются и отвозятся за пределы населенных пунктов для захоронения в специально отведенных местах или сжигаются в печах с улавливанием продуктов сгорания водой во избежание загрязнения атмосферы хлоросодержа-щими газообразными веществами (фосгеном, хлористым водородом).

С целью уменьшения профессиональной вредности операции по обработке СПФ в токсичных растворителях и решения проблемы обезвреживания и уничтожения отходов производства разработаны и выпускаются промышленностью фоторезисты водощелочиого проявления: ТФПК (ТУ ЫУО.037.074) и СПФ-ВЩ (ТУ 6-17-1086—80) Фоторезисты этого типа можно применять только в тех случаях, когда последующие гальванические и химические операции производятся в нейтральных или кислых растворах. Проявление изображения производится в 2 %-ном растворе кальцинированной соды, а удаление — в 2 %-иом растворе едкого натра. В результате в растворах постепенно накапливаются продукты, входящие в состав фоторезиста. Эти продукты удаляются путем подкислеиия раствора проявителя 10 %-иым раствором серной или соляной кислот. Выпадающий осадок продуктов отфильтровывается, подсушивается и укладывается в тару для пересылки в места уничтожения промышленных отходов. Для обработки пленочного фоторезиста типа СПФ-2 имеется необходимый комплект оборудования в том числе:

1. Установка экспонирования рисунка с точечным источником света, обеспечивающая освещенность внутри загрузочной рамы до 45 КЛк.

2. Установка проявления фоторезиста, предназначенная для проявления СПФ-2 струями хлорированных растворителей на заготовках размером" 500 X 500 мм. Установка конвейерного типа со скоростью конвейера от 0,2 до 4 м/мин. Производительность до 10 м2/ч. В комплект установки входят дистиллятор, способный перегнать до 100 л/ч метилхлороформв или хлористого метил-ена и установка очистки воды с пропускной способностью до 1000 л/ч.

3. Установка снятия фоторезиста или сеткографнческих красок рассчитана также на струйную обработку плат размером до 500X500 мм и аналогичными параметрами по производительности (10 м2/ч). Установка также комплектуется дистиллятором с производительностью до 100 л/ч.

Имеется опыт удаления сухих пленочных фоторезистов (типа СПФ-ВЩ) электрохимическим способом путем катодной обработки в слабощелочных растворах или химически в той же среде с наложением ультразвука частотой 10 кГц.

Для фоторезиста водощелочиого проявления типа СПФ-ВЩ имеются линии проявления и удаления. Обе линии конвейерного типа конструктивно аналогичны линиям травления. Линии модульного типа, они компонуются из отдельных узлов, выполняющих операции обработки, промывки и сушки. В составе линий имеется модуль наблюдения для контроля качества выполнения операции.

Прн работе с сухими пленочными фоторезистами встречаются неполадки, причины которых представлены в табл. 11.

Таблица 11. Основные неполадки при получении защитного рисунка с помощью пленочных -фоторезистов ,

Продолжение табл. 11

Химическое меднение отверстий в заготовках печатных плат является весьма ответственной операцией, определяющей качество металлизации и соответственно качество плат. При выполнении всего комплекса операций процесса металлизации следует руководствоваться нижеприведенными правилами.

1. Заготовки плат с просверленными отверстиями помещаются в вертикальном положении в кассеты, изготовленные из коррзионно-стойкой стали или нз полимерных материалов (пол и пропилеи, фторопласт).

В процессе меднения и при выполнении предварительных операций необходимо осуществлять возвратно-поступательное движение кассет для того, чтобы растворы циркулировали через отверстия в платах.

2. После каждого цикла операции меднения кассеты следует обработать в одном из травильных растворов для удаления частиц меди, которые могут оседать иа их поверхность в ванне химического меднения.

3. Раствор ванны химического меднения должен непрерывно фильтроваться для удаления механических загрязнений и частиц меди, образующихся в результате восстановления меди иа взвешенных в растворе механических примесях.

4. После активирования плат в совмещенном растворе и промывки в двух улавливателях следует обработка в растворе, содержащем 20—21 г/л NaOH, промывка н загрузка в ваниу химического меднения. В том случае, если производится электрополироваиие, обработка в щелочном растворе ие производится.

5. Если для актнвироваиня используется аммиачно-трилоиатный раствор, то после промывок платы обрабатываются в растворе-восстановителе, содержащем 30— 50 г/л NaH2P02 вместо раствора едкого иатра, независимо от того, производится электрополирование или нет.

G. Платы, имеющие слой химически осажденной меди толшииой более I мкм, рекомендуется термически обработать при температуре 80—90 °С а течение 1 ч.

7. С целью замены в растворах химического меднения дорогой соли винной кислоты (сегиетовой соли) создан синтетический продукт — внио-граднокислый калий-иатрнй. Эта соль, хотя и имеет аналогичный состав, но отличается по структуре от сегиетовой и вследствие этого растворы химического меднения с применением вииограднокислых солей характеризуются худшей стабильностью.

По опыту ряда предприятий достаточно хорошей стабильностью обладает раствор следующего состава:

Сернокислая медь………….. 10—15

Вииоградиокислый калий-натрии……… 60—70

Едкнй натр…………….. 20—25

Кальциинроваииая сода………… 20

Материалом для сетчатого трафарета могут служить шелковая сетка, синтетические ткани, металлические сетки. Шелковые сетки легко вытягиваются и склонны к набуханию от воздействия рвствори-телен, поэтому в настоящее время они применяются очень редко. Более устойчивы к истиранню и действию химических реагентов полиамидные и полиэфирные сетки плотностью от 56 до 180 нитей на 1 см.

Капроновая сетка 49—76 выпускается для трафаретов по ОСТ 1746—71. Металлические сетки (ТУ 14-4-507—74) наиболее прочны, с них легко смываются краски, но оии менее эластичны. При выборе сетки необходимо учитывать свойства печатной крвскщ важно чтобы она хорошо проходила через ячейки сетки не звбивая их. Размер ячеек должен быть в 2,5—3 раза больше частиц пигмента.

Сетка должна быть хорошо натянута в раме с помощью механического или пневматического устройства и закреплена клеем БФ-4 или адгезивом 2В. Перед нанесением трафарета сетки обезжириваются: металлические—в 20 %-ном растворе синтаиола или (катодное обезжиривание) в щелочном растворе при температуре 25-30 °С. Капроновые сетки обезжириваются венской известью. Получение трафарета осуществляют прямым или косвенным способом.

Прямой способ заключается в нанесении иа натянутые сетки фоторезистов типа ФСТ-1 (ТУ 610-028-029) или композиции «Фото-сет-ж» (ТУ 6-15-01-138—77) и формировании изображения методом фотопечати. В этом случае ячейки сетки или полностью открыты или закрыты.

Косвенный способ заключается в перенесении рисунка из пленочных материалов на сетку. К таким материалам относятся пигментная бумага (ТУ 29-01-06—70), пленка КПТ-1 (ТУ КФ25—75) нли пленка СПФ. Косвенные способы дают более качественное изображение, но тиражестойкость трафарета ниже (до 600 оттисков), и процесс получения трафарета более длителен.

Наиболее перспективным является-способ изготовления трафарета с применением фоторезиста «Фотосет-ж». Полученный таким способом рисунок устойчив по отношению к воде, спирту, бутил-ацетату, уайт-спириту, ацетону. Тиражестойкость трафарета при этом составляет до 4000—5000 оттисков, продолжительность процесса изготовления трафарета — не более 30 мин. Композиция наносится поливом на натянутую сетку, выравнивается ракелем.

На фотошаблон во избежание прилипания его к сетке наносят антиадгезионный слой (5 %-ный раствор парафина в уайт-спирите).

Экспонирование изображения производят с помощью ламп ультрафиолетового излучения в течение 3—5 мин при освещенности 3000— 3500 лк. Проявление выполняют с помощью ватного тампона, смоченного в этиловом спирте. Разрешающая способность фоторезиста (40 линий на 1 см) способствует получению зазоров между проводниками до 0,2 мм.

Основными преимуществами фоторезиста «Фотосет-ж» являются его способность полимеризоваться в жядком состоянии, возможность использования весьма простого оборудования, а также минимальная затрата времени на подготовку трафарета.

После нанесения изображения участки сетки, свободные От их рисунка, покрываются слоем клея БФ-4. При необходимости ретуширования дефектов рисунка можно использовать нитроэмаль НЦ-25.

Защитные рисунки iia платах получают с помощью трафаретных красок, выпускаемых торжковским заводом полиграфических красок и другими предприятиями полиграфической промышленности.

Для негативного процесса применяются спирто-бензостойкие и щелочесмываемые краски: голубая СТЗ. 12—35 (ТУ 29-02-725—77), желтая СТЗ. 12—51 (ТУ 29-02-740—78), синяя СТЗ. 12.2 (ТУ КФ 248—80).

Первые два типа красок сушатся при температуре 60—70 СС в течение 45—55 мии. Краска СТЗ.12.2 разработана для применения в автоматических линиях, где сушка осуществляется воздействием ультрафиолетовых источников света. Продолжительность сушки 10—16 с. Более дешевая краска для негативного процесса — лито-понные белила, ио она требует более длительного и сложного процесса сушки и туннельных сушилах.

Для позитивного процесса поставляется гальваностойкая краска СТЗ.13 (ТУ 29-02-558—76), рассчитанная на растворы, имеющие величину рН 0,5—8,0. Слой краски толщиной 30 мкм сушится при температуре 50 °С в течение 8 мии, в при температуре 100 °С — 5 мии. Для позитивного процесса можно также применять краску СТЗ. 12— 51. Для маркировки печатных плат рекомендуется краска СТЗ. 19—53 (ТУ КФ 251—80).

При печатании необходимо учитывать следующее. Величина зазора между сеткой и заготовкой должна быть 1—3 мм — для капроновой и 0,8—1,5 мм — для металлической сетки. Угол печатающего ракеля к поверхности трафарета 45—60 °С. Ракель изготавливается из беизостойкой резины или полиуретана. Краска СТЗ. 12— 51 разбавляется этилцеллозольвом или уайт-спиритом, краска СТЗ.13—смесью тетралниа и бензилового спирта в отношении 4:1, уайт-спиритом или хлористым метиленом. После работы трафаретные формы следует тщательно отмыть от краски смесью уайт-спирита с ацетоном 1:1. Удаление краски СТЗ. 12—51 можно производить 5 %-ным раствором едкого натра при температуре 25—35 °С в течение 3 мин. Для уменьшения ценообразования рекомендуется введение в раствор небольшого (2—4 %) количества пеногасителей, например КЭ-10-01 (ТУ 6-02-587—73).

Некоторые из дефектов, встречающиеся при сеткографпческом способе получения защитного рельефа, представлены в табл. 12. Технологические процессы подготовки сеткографических станков к работе, изготовления трафаретных печатных форм, подготовки поверхности сеток, получения рисунка на трафаретной печатной раме прямым и косвенным способом представлены в ГОСТ 23727—79.

Оборудование для сеткографической печати делится на основное и вспомогательное. К основному оборудованию относятся автоматы, полуавтоматы или ручные станки для нанесения рисунка схемы на заготовки печатных плат и установка сушки краски на платах.