Печатные платы

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.

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.