книги / Технология многослойных печатных плат
..pdfвание электролита, покачивание катодных штанг, непрерывная или периодическая фильтрация электролитов, нестационарные ре жимы, электролиз; «перемешивание электролита барботированием сжатым воздухом или механическими мешалками не дает эффекта, так как в зону отверстий диаметром 0,5... 0,6 мм не обеспечивает ся подача свежего электролита и в результате этого осаждение меди на стенки отверстий происходит из сильно истощенного элек тролита в условиях предельного тока.
Один из простых способов повышения PC — применение раз бавленных электролитов, однако при этом обычно резко снижа ется допустимая рабочая плотность тока. Лучшее решение — под бор специальных добавок, вводимых в электролит, сочетающих выравнивающее действие с блескообразующим. По механизму воздействия на кинетику осаждения металлов добавки условно разделяются на блокирующие поверхность и влияющие на скорость разряда иона металла. Адсорбция добавок, главным образом, на выступах, краях замедляет осаждение металла на этих участках, металл наращивается в микровпадинах, выравнивая покрываемую поверхность. Изменение скорости разряда иона металла из-за вве дения добавок вызывается влиянием адсорбированного вещества на распределение потенциала на границе раздела фаз электро лит— катод. Изменение потенциала влияет на адсорбцию заря жающего иона и скорость перехода электрона с катода на само покрытие. К сожалению, органические соединения, используемые в качестве выравнивающих добавок, трудно поддаются контролю, оптимальная концентрация их часто находится в узких пределах. В ряде случаев они или образующиеся продукты их разложения вызывают крупность осадков, а иногда ухудшают их вид.
Из геометрических факторов, влияющих на равномерность оса ждения, в первую очередь, следует отметить расстояние между анодами и покрываемыми ПП. Установлено, что при металлиза ции ПП большого размера межэлектродное расстояние должно быть увеличено. Для того чтобы это расстояние не изменялось, целесообразно всю систему электродов перемещать синхронно. Хотя это и несколько усложнит конструкцию ванны, тем не ме нее обеспечит более высокое качество покрытия.
Небрежное завешивание плат на приспособления приводит к тому, что они располагаются в различных направлениях по отно шению друг к другу, а также по отношению к анодам. Даже в ци анистом электролите серебрения, PC которого является одной из наиболее высоких, толщина покрытия на ближайших к анодам участках плат может быть в 3... 4 раза больше, чем в средней зо не ванны. Для остальных электролитов, особенно кислых, это соот ношение возрастает в десятки раз. Для получения равномерных и гладких гальванических покрытий следует учитывать два основных правила, являющихся следствием законов Ома и Кирхгофа.
1. С электролита ток всегда течет по линии наименьшего со противления. Следовательно, наибольшее количество тока прохо-
пряжениями. Наличие значительных внутренних напряжений в осадке является скрытым дефектом. Этот дефект выявляется в процессе пайки, в металлизированном слое стенок отверстий об разуются трещины, нарушающие в конечном счете целостность электрических цепей.
Контакт платы с подвесочным приспособлением и подвесочно го приспособления с катодной штангой необходим для того, чтобы на всех платах осаждалось равное количество меди. При отсутст вии контакта может произойти полное или частичное растворение меди, осевшей в начальный период электролиза. Это явление, на зываемое биполярным эффектом, происходит из-за того, что медненная поверхность платы, не будучи поляризована, становится анодом по отношению к соседним платам, имеющим надежный контакт с катодной штангой. При загрузке ванн платами их сле дует компоновать так, чтобы стороны, обращенные к каждой анод ной штанге, имели бы приблизительно одинаковую поверхность, подлежащую меднению. Это обеспечивает получение более рав номерных по толщине покрытий на обеих сторонах платы.
Электрический режим осаждения также существенно влияет на равномерность покрытий. При использовании низких плотностей тока участки в середине плат будут иметь заниженную толщину покрытия. При работе на верхнем пределе плотностей тока на углах и кромках плат толщина покрытия оказывается повышенной, что приводит к утолщению и шероховатости слоя на этих участ ках. Экспериментальные данные, полученные при электроосажде нии меди, показывают, что по ширине катода ток распределяется неравномерно, приблизительно по параболическому закону. При этом чем больше катодная плотность тока, тем более неравномер но распределение тока по поверхности катода, что связано с диф фузионными ограничениями.
Почти во всех электрохимических процессах, применяемых в технологии ставится вопрос об устранении диффузионных огра ничений электролиза. Это достигается интенсивным механическим перемешиванием, разработкой новых конструкций ванны и дру гими способами.
Для повышения PC и улучшения равномерности металлизации в отверстиях необходимо обеспечить интенсивное прохождение электролита через отверстия покачиванием катодных штанг в го ризонтальной плоскости с частотой 30... 40 колебаний катодной штанги в минуту, амплитуда колебаний — до 50 мм. Увеличение амплитуды ограничивается расстоянием между платой и анодом, которое должно составлять не менее 150 мм во избежание поДгара осадка. Установлено, что чисто электрическим путем, лишь изменением формы и параметров тока, — представляется возмож ность при всех прочих одинаковых условиях получать более каче ственные катодные осадки. Первые попытки проводить электро лиз током, отличным от постоянного, были сделаны более ста лет назад используя реверсированный ток (ток переменной полярно сти). Реверс — обычный постоянный ток, который с помощью раЗ
11.2.ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ МЕДНЕНИЕ
Впроизводстве ПП в качестве основного токоведущего слоя широко используется гальваническая медь. Гальванический слой
меди определяет надежность ПП, на него впоследствии осажда ется металлический резист, поэтому качество осажденной меди в значительной мере определяет защитные свойства резиста.
Металлизация отверстий на ПП должна выполняться медью и удовлетворять следующим требованиям: наличие сплошной метал лизации; одинаковая толщина покрытия в отверстии и на поверх ности фольги, мелкозернистая структура покрытия; отсутствие утолщений, включений, избыточного нарастания металла на входе отверстия или на внешнем крае контактной площадки, трещин в покрытии; минимальная толщина 1меди в отверстии 25 ...30 мкм.
Контроль |
следует осуществлять в отверстиях, расположенных |
|
в цетральной |
части платы, измеряя толщину металлизации |
в |
середине отверстия. При использовании СПФ возможны два ва рианта наращивания гальванического медного покрытия: по всей поверхности, включая стенки отверстий, так называемое сплош ное наращивание («тентинг-процесс») по рисунку печатного монтажа и межслойному переходу, — избирательное наращивание. При сплошном наращивании вся поверхность платы и просверлен ные отверстия покрываются гальванически медью слоем в 30 мкм, те участки, где не должно быть рисунка схемы, защищают орга ническим резистором. Затем свободные от органического резиста участки гальванически защищаются металлическим резистом, как это выполняется при позитивном комбинированном методе. При избирательном наращивании гальваническое осаждение ме ди и металлического резиста производится лишь по рисун ку схемы и на стенках отверстий. Оба варианта имеют свои достоинства и недостатки. При сплошном наращивании меди ос новная, более длительная часть гальванического процесса (медне ние) выполняется до нанесения органического резиста и электро лит не загрязняется им. При сплошном наращивании допустимо использовать более высокие плотности тока, чем при избиратель ном наращивании, так как отсутствуют изолированные проводники и контактные площадки, на которых концентрируются практически все силовые линии. С производственной точки зрения привлекатель нее способ избирательного наращивания, так как при этом сокра щается расход энергии и материалов, меньше подтравливание.
Для увеличения надежности и обеспечения возможности мно гократной перепайки при замене компонентов за рубежом исполь зуется толщина покрытия 37 75 мкм. По данным фирмы «Отонетикс» (США) платы с малыми диаметрами сквозных отверстий выходят из строя при меньших температурах и после меньшего числа циклов охлаждения и нагревания, чем платы с более круп ными отверстиями, где можно осадить равномерное по толщине покрытие. Установлено, что при толщине меди в отверстиях
25... 38 мкм отказов в МПП было в 2 раза больше, нежели при толщине меди 50...60 мкм. Таким образом, чем больше диаметр отверстия, тем меньше отказов, однако при этом снижается плот ность монтажа.
Исходя из опыта основное гальваническое меднение рекомен дуется производить не ранее, чем через 4 ч, и не позднее, чем че рез 24 ч после получения защитного рельефа. В отечественной технологии для меднения ПП применяются, главным образом, сернокислые или борфтористоводородные электролиты, значитель
но реже — кремнефтористоводородный электролит. На ряде |
пред |
||||
приятий |
внедрен |
процесс |
меднения ПП в |
электролите; |
|
CUS0 4-5H20 200 ...220 |
мг/л; H2S 0 4 50 ... 60 г/л; NaCl |
30 ...60 |
мг/л; |
добавки ЛТИ или БЭСМ 1 ... 3 мл/л.
Добавка ЛТИ — комплексная. В качестве первичного блескообразователя используется ароматический дисульфид, а в качестве вторичных смачивающих агентов — смачиватель ОС-20 и органи ческие красители — метиленовый голубой и нитрозин водораство римый. Электролит с добавкой ЛТИ не требует дополнительной проработки. Средний расход добавки 0,1 л через 1000 А»ч. Не обходимым условием правильной эксплуатации этих электролитов является применение фосфорсодержащих медных анодов, по скольку при этом снижается шламообразование и пленка, образу ющаяся на анодах, препятствует окислению добавки [31, 32]. Счи тают, что фосфор, входящий в состав анодов, выполняет две ос
новные функции: способствует раскислению медного зерна |
при |
прокате, что предупреждает шламообразование и приводит |
к |
включению ионов одновалентной меди в соединение СизР, которое образует черную анодную пленку, устраняя тем самым реакцию диспропорционирования ионов меди.
Нормативная документация на анодную медь марки АМФ предусматривает содержание фосфора в прокате 0,03 ... 0,16%. К тому же отмечено, что при горячей прокатке меди в наружном слое листа толщиной 40 60 мкм выгорает фосфор. С целью оп ределения работоспособности поступающего с предприятия-изго товителя медного проката внедрен функциональный контроль — анодная обработка в работающей ванне меднения. При этом опе рация травления длится 1 ... 1,5 ч для удаления верхнего обеднен ного фосфором слоя меди. Затем во вспомогательную ванну с элек тролитом меднения аноды завешивают на анодную штангу без чехлов на 30 мин при DA 1 ... 2 А/дм2. Если в течение указанного времени на анодах не образуется сплошная черная пленка, их не применяют при меднении ПП. Установлено, что при использовании анодов АМФ с содержанием фосфора не более 0,04% на анодах либо не образуется, либо образуется неустойчивая, легко сползаю щая пленка, в го же время физико-механические свойства, а час то и блеск катодного осадка, снижаются. При работе с анодами, содержащими более 0,13% фосфора, пленка на анодах становится чрезвычайно толстой и плотной, что сопровождается значительным увеличением переходного сопротивления на границе медь — элек-
158
тролит вплоть до прекращения процесса при Dk 2,5 А/дм2. Поэто му процесс нужно вести так, чтобы плотность анодного тока не пре вышала этого значения. Если для сернокислых электролитов мед нения с добавкой Б-7211 (производство НРБ) оптимальное со держание фосфора в медных анодах составляет 0,03...0,06%, то для электролита приведенного состава 0,07... 0,1%. Выявлено, что по мере работы фосфорсодержащих медных анодов в электролите накапливается фосфор, при содержании которого 0,16 г/л катод ные осадки «охрупчиваютея». Рекомендуется очистка углем.
С целью экономии дефицитного материала анодов разрабо таны и внедрены насыпные аноды, позволяющие безотход но использовать анодную медь. Насыпной анод конструктивно
представляет собой |
перфорированную |
корзину |
из |
титаново |
го сплава марки ВТ |
1-0, в которую до |
отметки |
не |
ниже уров |
ня электролита в ванне гальванического меднения насыпаны пла стинки из отработанных листовых анодов размером 20X20 мм. Анодные корзины подвешиваются в гальваническую ванну на ла
тунных крючках. Порядок обслуживания таких анодов тот же, что и обычных. Существенное влияние на работу медных анодов оказывает содержание NaCl в электролите. Отмечено, что при концентрации NaC1^80 мг/л. резко усиливается анодное шламообразование, снижаются физико-механические свойства и блеск медных осадков. В процессе эксплуатации этого электролита ус тановлено влияние режима корректирования электролита органи
ческими добавками на физико-механические свойства осадков. Так, введение в больших количествах добавки ЛТИ (1 мл/л раст вора, содержащего 50 г/л ЛТИ и 100 г/л ОС-20) приводит к рез
кому снижению относительного |
удлинения |
медных осадков от |
|
8... 10 (до введения добавки) |
до |
2... 4% (после введения). Введе |
|
ние добавки в тот же состав |
более мелкими |
порциями (0,5 мл/л) |
с учетом количества пропущенного электричества не оказывает столь резкого влияния на б. Принят следующий режим корректи рования: после прохождения 30 А-ч электричества вводится 20 мл раствора, содержащего в 1 л 2,5 г добавки ЛТИ и 100 г препарата ОС-20.
Для получения качественных медных осадков на ПП необходим контроль гальванических ванн по такому параметру, как физико химические свойства осадков.
На передовых предприятиях с этой целью проводится ежене дельный контроль медных осадков, осаждаемых на пластины из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Из осадков меди с расчет ной толщиной 5*10“5 вырубают образцы, соответствующие ГОСТ 11701—69, которые испытывают на растяжение в разрывной машине со скоростью перемещения зажимов 5... 6 мм/мин. Отно
сительное удлинение образца (б) после разрыва является одним из критерием физико-механических свойств медных осадков. Ус тановлена зависимость физико-механических свойств меди от