Виды брака на операции травления, причины и способы устранения.

1. Несоответствие ширины проводников и зазоров требованиям конструктоской документации.

2. Боковое подтравливание проводников.

Недостаточная адгезия фоторезиста и медной поверхности платы.

Концентрация раствора травления.

Скорость конвейера.

Температурный режим.

Состояние оборудования.

3. Снижение сопротивления межслойной изоляции.

Недостаточное качество промывки после травления.

Тема 7

Прессование многослойной ПП.

Сверление отверстий ПП.

Физико-химические основы прессования. Подготовка слоев перед прессованием. Комплектование пакетов для прессования многослойных ПП.

Способы получения отверстий. Сверлильные станки. Лазерное сверление. Режимы сверления.

Прессование слоев МПП в монолитную структуру – процесс, во многом

определяющий качество и надежность платы и сказывающийся на выполнении последующих операций сверления, очистки отверстий от продуктов сверления, металлизации, травления рисунка, монтажной пайки. Брак на операции прессования является необратимым.

Залог успешного проведения операции прессования – чистота и развитость медных поверхностей рисунка слоев МПП. Существуют два непохожих друг на друга процесса подготовки поверхностей под прессование:

- разрядка больших массивов фольги сеткой проводников и микротравление медных проводников для создания микрошероховатости и активации поверхности;

- оксидирование медной поверхности (в этом случае массивы медной фольги можно оставлять без разрядки).

Сборка пакетов для прессования многослойных печатных плат происходит в следующей последовательности:

нижняя плита пресс-формы;

триацетатная пленка;

кабельная бумага;

триацетатная пленка;

стальной лист;

триацетатная пленка;

слои печатной платы, переложенные склеивающими прокладками;

триацетатная пленка;

стальной лист;

триацетатная пленка;

кабельная бумага;

триацетатная пленка;

верхняя плита пресс-формы.

После установки пресс-формы в нагретый до рабочей температуры пресс пресс-пакет разогревается в течение 10-15 мин до достижения температуры, необходимой для отверждения связующего (для эпоксидной смолы это около 170ºС). Под действием тепла смола расплавляется, заполняет полости и вытесняет воздух из зазоров между слоями. Внешне это проявляется в виде облоя по краям заготовки. С ростом температуры и продолжающегося воздействия давления начинается полимеризация смолы, смола переходит в состояние геля. Это критический момент, когда нужно увеличить давление вдвое от первоначального. Если давление увеличить раньше момента начала гелеобразования, выдавится большое количество смолы. Если с запозданием – заполняются не все пустоты, и монолитность МПП не обеспечивается.

В современных процессах прессования МПП используются автоматические системы управления процессом по режимам, рекомендованным поставщиком базовых материалов. Оператор имеет возможность выбрать и установить соответствующую для данного материала и процесса диаграмму изменения температуры и давления.

На протекание процесса прессования наибольшее влияние оказывают следующие факторы:

- состояние связующего в склеивающих прокладках (растворимость, текучесть, содержание летучих компонентов);

- конструкция слоев (плотность рисунка схемы, наличие полигонов фольги, формат заготовки, толщина склеивающих прокладок);

- режимы прессования (температура, давление, время гелеобразования);

- качество подготовки поверхности слоев (шероховатость, чистота отмывки);

- технологическая оснастка (вид и количество фиксирующих элементов, плоскопараллельность плит пресс-форм и прокладочных стальных листов, количество пакетов слоев МПП);

- чистота и развитость (шероховатость) медных поверхностей рисунка слоев МПП; наибольшее применение нашел процесс оксидирования медных поверхностей слоев МПП, в результате чего получают черный оксид меди.

По истечении времени прессования обогрев плит пресса прекращается. При охлаждении нельзя снижать давление на плитах пресса, чтобы не допустить вздутия материала и его коробления. Это объясняется различием коэффициентов линейного расширения смолы, стекла и меди. При быстром охлаждении смола отслаивается от стеклянных волокон и гладкой стороны медной фольги, внутренние напряжения при этом достигают наибольших значений, что вызывает коробление платы, деформацию внутренних соединений и повреждение печатных проводников.

Спрессованные платы очищаются после удаления разделительно-смазочных материалов, контролируются по толщине и плоскостности и поступают для обрезки облоя.

Требования к процессам прессования сегодня определяются высокой плотностью межсоединений, выполнением отверстий на внутренних слоях, необходимостью точного воспроизведения волнового сопротивления согласованных линий связи, более строгими требованиями к короблению применительно к требованиям поверхностного монтажа. Все эти требования могут быть удовлетворены только при условии использования систем вакуумного прессования с минимальными градиентами температур при нагреве и охлаждении, точности поддержания режимов давления и идеальной плоскостности плит. Востребованность СВЧ-материалов с использованием различных наполнителей требует создания на этапе прессования более высоких температур отверждения – порядка 400˚С. Современные электрические прессы для прессования многослойных печатных плат отвечают всем этим требованиям: параллельность плит сохраняется в пределах ±30мкм, температурная точность – ±1˚С, точность поддержания давления – ±1бар. Для уменьшения температурных градиентов во времени и пространстве используется, как правило, термомасляный нагрев и охлаждение. Для эффективного выноса воздуха и летучих фракций из прессуемого пакета слоев применяется вакуумирование рабочей зоны пресса в течение всего времени прессования. Вместе с прессами, как правило, предлагаются опции, использование которых улучшает условия и производительность труда, стабильность процессов: загрузочно-разгрузочные тележки или транспортная система, стеллажи-накопители с подъемным устройством, станции сборки пакетов. Обязательным приложением в составе прессового оборудования является система визуализации параметров управления на базе персонального компьютера. Система обеспечивает выполнение трех отдельных функций: загрузку режимов прессования из архива и запись в архив новых отработанных режимов, диагностику оборудования для выявления неисправностей. Все это позволяет в соответствии с применяемыми материалами быстро найти в архиве рекомендуемые режимы прессования и запустить процесс.

Виды брака на операции прессования, причины и методы их устранения.

1. Расслоение.

Недостаточное количество склеивающих прокладок стеклоткани.

Недостаточная чистота поверхности слоев.

Недостаточная текучесть смолы в стеклоткани.

2. Коробление.

Несбалансированная конструкция МПП.

При формировании пакета не учитывалась ориентация нитей в базовых материалах.

Нарушение температурного режима прессования.

3. Несовмещение слоев.

Непараллельность плит пресса и пресс-формы.

Избыточное давление.

Отсутствие меди вокруг базовых и фиксирующих отверстий.

Наиболее сложный и трудоемкий процесс в механической обработке плат – это формирование отверстий, подлежащих металлизации.

От сверления зависит качество металлизации, т. е. надежность межслойных переходов, обеспечение точности совмещения токопроводящих рисунков схемы, расположенных на разных слоях многослойных печатных плат и качество получения токопроводящего слоя в отверстиях после их металлизации. Брак на этой операции является необратимым.

Востребованные в настоящее время конструкции МПП содержат большое количество отверстий малого диаметра, что заставляет переходить от механического сверления к лазерному.

В связи с этим к качеству выполнения отверстий предъявляют следующие требования: отверстия должны быть без заусенцев с гладкими стенками; предельные отклонения центров отверстий относительно узлов координатной сетки должны составлять ±0,015мм; отсутствие деструкции диэлектрика в отверстиях и размазывания (наволакивания) смолы по стенкам отверстий, так как это препятствует осаждению меди и приведет к разрыву цепи; точность сверления отверстий ±0,1мм.

Сложность выполнения операции связана с обработкой в одном технологическом цикле различных по свойствам материалов, таких как медь, алюминий, стекловолокно, смола, для каждого из которых требуются разные режимы обработки, и большое количество факторов влияет на качество получаемых отверстий.

Кроме того, повышение плотности монтажа, уменьшение ширины проводников, широкое внедрение технологии поверхностного монтажа, изготовление многослойных печатных плат приводит к необходимости получения глубоких микроотверстий и глухих отверстий.

На качество сверления оказывают влияние: конструкция сверлильного станка, геометрия и материал сверла, точность позиционирования, способ закрепления печатной платы на столе станка, скорость резания, точность осевой подачи при сверлении и обратном ходе сверла, способ удаления стружки и др.

Режимы сверления зависят от диаметра обрабатываемых отверстий.

Очистка отверстий печатной платы после сверления.

В процессе сверления отверстий в зоне резания достигаются температуры до 400°С. При выходе сверла на стенках отверстий, а главное - на торцах контактных площадок внутренних слоев «намазывается» расплавленная смола, мешающая надежному внутреннему электрическому межсоединению.

 Метод металлизации сквозных отверстий долгое время оставался ненадежным, пока не была решена проблема очистки отверстий. Из всего разнообразия опробованных методов очистки наиболее приемлемыми считаются: растворение в концентрированной серной кислоте, перманганатная очистка, плазмохимический метод, гидроабразивная очистка, двойное сверление. Попытаемся дать объективную оценку каждому методу по технико-экономическим критериям.

Очистка в концентрированной серной кислоте.

Серная кислота лучше растворяет связующее основание, чем запекшиеся остатки смолы на торцах контактных площадок. Для обеспечения хорошей очистки отверстий растворение смолы основания идет настолько глубоко, что высвобождающаяся стеклоткань создает лабиринт, из которого невозможно вымыть остатки растворов. Поэтому приходится дополнительно использовать плавиковую кислоту для растворения стеклянного ворса.

При этом возникают следующие неблагоприятные факторы:

- плавиковая кислота оставляет на границе растворения стекла гель, который трудно удалить;

- отработанная плавиковая кислота создает экологические проблемы (соединения фтора не образуют нерастворимый в воде осадок, чтобы их можно было отделить при очистке промышленных стоков);

- при использовании серной кислоты происходит настолько глубокое подтравливание, что создается опасность ухудшения качества изоляции.

Перманганатная очистка.

Ее проводят в линиях струйной обработки, по производительности она хорошо согласуется с другими аналогичными линиями. Перманганатная очистка мягче травит диэлектрик и не создает глубокого подтравливания. При этом следует выделить следующие неблагоприятные факторы:

- очистка промышленных стоков - эта операция труднореализуемая, но обязательная;

- емкости с щелочным раствором перманганата должны быть выполнены из особого материала, не поддающегося растворению в этом растворе.

Отметим, что этот способ наиболее распространен в производстве за рубежом. При этом за последнее десятилетие там произошла неоднократная смена оборудования, но перманганатная очистка сохранила актуальность.

Плазмохимическая очистка.

Этот метод очень эффективен для очистки отверстий, однако:

- процесс плазмохимической очистки - пульсирующий (не поточный);

- оборудование для этого метода (вакуумная камера, СВЧ-генератор, системы вакуумного отсоса и впуска газов, газобаллонное хозяйство с заботами по регулярной поставке газов) слишком дорогое, что делает его неприемлемым для большинства российских производителей многослойных печатных плат;

- процесс плазмохимической очистки требует дополнительных операций по очистке отверстий от пепла и устранения электростатических последствий.

Гидроабразивная очистка печатной платы.

Этот дорогой в эксплуатации метод возможен при наличии на предприятии мощной компрессорной станции. Он не только эффективно очищает отверстия, но и создает очень хорошую шероховатость на поверхности фольги. Его принципиальная неспособность чистить отверстия малого диаметра (до 0,3 мм) не сулит ему будущего.

Двойное сверление.

В данном случае подразумевается сверление отверстия дважды: второй раз сверлом с припуском на 0,1 мм. Поскольку при повторном сверлении энергия разрушения стенок гораздо меньше, температуры в зоне резания не настолько большие, чтобы вызвать расплавление смолы и размазывание ее на торцах контактных площадок. Для получения нужного эффекта при повторном сверлении печатной платы нужно, чтобы оборудование обеспечивало высокую позиционную повторяемость. Повторное сверление необходимо проводить, не меняя положения заготовки. При этом добиться высокой повторяемости почти невозможно. По этой причине на некоторой части отверстия все же будут оставаться продукты сверления. Соединение металлизации с торцами внутренних слоев будет происходить не по полной окружности. Несмотря на это, часть очищенного повторным сверлением отверстия будет иметь устойчивый контакт с внутренними слоями.

Виды брака на операции сверления, причины и методы их устранения.

1. Смещение.

Ошибка в программе сверления.

Ошибка при позиционировании платы.

2. Наличие заусенцев.

Геометрия сверла.

Биение сверла.

Режим сверления.

Прижим платы, подбор прокладки.

3. Сколы, ореолы, заполировка.

Геометрия сверла.

Биение сверла.

Режим сверления.

Прижим платы, подбор прокладки.

Тема 8

Химические и электрохимические процессы в производстве ПП

Понятие о процессах металлизации в технологиях изготовления ПП. Механизм процессов активации. Химическая металлизация. Прямая металлизация. Электрохимическая металлизация. Законы электрохимической металлизации.

Химическими технологическими процессами называют процессы обработки поверхности в результате химических реакций, протекающих при комнатной температуре или при нагревании до 100ºС. Это химическая металлизация, химическое травление неорганических и органических материалов, химическая очистка поверхности.

Электрохимическими технологическими процессами называют процессы обработки поверхности металлов или других проводящих покрытий под воздействием электрического тока: гальваническое осаждение, анодирование в растворах, электрохимическое травление.

Химические и электрохимические процессы применяют для нанесения слоев, модифицирования поверхности, общего или локального удаления слоев. Реакции носят гетерогенный характер, т.е. протекают на границе раздела двух фаз – твердого тела и жидкости.

Осаждение металлического покрытия производят из раствора, содержащего ионы осаждаемого металла. Покрытие образуется в результате восстановления на подложке, являющейся катодом катионов осаждаемого металла путем присоединения электронов. Процесс меднения идет по схеме:

Cu²⁺ + 2 e^- = Cu⁰

Количественные зависимости процессов, протекающих на электродах описывают законы Фарадея.

Число реагентов, участвующих в электродной реакции, связано стехиометрическим соотношением с числом электронов, проходящих через цепь. Это обстоятельство лежит в основе законов, установленных М.Фарадеем в 1833-1834гг.

Первый закон Фарадея.

При электролизе количество вещества, участвующего в химических превращениях, пропорционально количеству электричества, проходящему через электролит.

Второй закон Фарадея.

Масса различных веществ, выделяемых или растворяемых одним и тем же количеством электричества, пропорциональна их химическим эквивалентам.

Количество электричества, необходимое для превращения одного химического эквивалента вещества, получило название числа Фарадея.

Таким образом, общее количество превращаемого вещества пропорционально количеству электричества, а количество вещества, превращаемого в единицу времени (удельная скорость реакции) пропорционально плотности тока.

Законы Фарадея для стационарных токов абсолютны. На этих законах основывается очень точный метод измерения количества электричества путем измерения массы или объема реагирующего или выделяющегося вещества (кулонометрия).

В тех случаях, когда необходимые для восстановления электроны освобождаются вследствие реакций окисления, идущих в растворе, а не от внешнего источника тока, имеет место химическая металлизация.

Преимуществом химической металлизации является возможность осаждения металла на непроводящие подложки, однако сам процесс неустойчивый, протекает очень медленно 1-2 мкм/ч.

Электрохимическая металлизация идет с высокой скоростью осаждения 20-25 мкм/ч, обеспечивает хорошую адгезию.

Поэтому в производстве печатных плат сочетают оба вида металлизации:

химической металлизацией поверхности диэлектрика создают проводящую подложку около 1мкм толщиной, а затем проводят электрохимическую металлизацию и наращивают покрытие до 30-40мкм.

Основным назначением процесса металлизации отверстий печатных плат является получение токопроводящих участков печатных плат для обеспечения межслойных переходов.

Металлизация отверстий – сложный многооперационный процесс, который можно разделить на два этапа: химическая металлизация и электрохимическая металлизация.

При осаждении металлических пленок химическим путем из раствора ионы металла восстанавливаются и осаждаются на подложке, которой приданы каталитические свойства. В качестве катализаторов используют, как правило, металлы платиновой группы: палладий (наиболее сильный и часто используемый), платину, серебро, золото). Придание поверхности каталитических свойств происходит в результате обработки в соответствующем растворе.

Создание каталитических центров кристаллизации, сцепленных с поверхностью в результате реакций, протекающих на границе фаз подложка – раствор, называют активированием.

На этапе химического меднения на стенках монтажных и переходных отверстий создается слой меди толщиной около 1мкм.

Химическое меднение – окислительно - восстановительный автокаталитический процесс, в котором в качестве катализатора на этапе активации выступает металлический палладий, а затем осажденные кристаллы меди катализируют дальнейшее выделение меди, и процесс протекает самопроизвольно.

Основные требования к химически осажденной меди: полное покрытие стенок отверстий для исключения разрыва электрических цепей; хорошая адгезия слоя химической меди к диэлектрику основания для обеспечения стойкости к термоудару при пайке и перепайке. Заготовки печатных плат монтируют при помощи технологических отверстий в подвески для химического меднения, изготовленные из коррозионностойкой стали, фторопласта или полипропилена. Помещают на линию химического меднения, состоящую из нескольких ванн для подготовки поверхности и химического меднения, в каждую из которых подвески с заготовками загружаются по программе автооператором. Ванна для химического меднения имеет устройства поддержания температуры, барботирования для перемешивания раствора воздухом, фильтрации, возвратно-поступательного перемещения заготовок для прокачивания раствора через отверстия, чтобы обеспечить полное покрытие стенок отверстий медью.

Гальваническая металлизация в процессе изготовления печатных плат осуществляется несколько раз.

1. Предварительное гальваническое меднение для защиты тонкого слоя химической меди от повреждения, улучшения адгезии и структуры осадка (толщина слоя 5-7мкм).

2. Гальваническое меднение для получения основного токопроводящего слоя меди в монтажных и переходных отверстиях, на проводниках и контактных площадках (толщина 20-25мкм).

3. Гальваническое осаждение металлорезиста (защитного травильного резиста на операции травления) на проводники, контактные площадки, в монтажные отверстия, для защиты на операции травления меди с пробельных мест.

4. Гальваническое осаждение металлов и сплавов на концевые разъемы печатных плат для повышения твердости, износостойкости, снижения переходного сопротивления.

Гальваническое покрытие должно удовлетворять следующим требованиям:

- быть сплошным, без разрывов, пор, включений, раковин;

заданной конфигурации; пластичным, чтобы обеспечить устойчивость к перегибам, короблению, воздействию ударов и вибраций;

- неровности по краю не должны уменьшать их допустимые размеры и расстояния между ними, так как это связано с электрическими параметрами печатной платы (в противном случае может произойти перегрев проводников или пробой диэлектрика);

- элементы токопроводящего рисунка, сформированные гальваническими процессами, должны иметь ровные края, не иметь темных пятен, вздутий, отслоений;

- равномерным по толщине на поверхности и в отверстиях, что связано с обеспечением заданных электрических характеристик (минимально допустимой плотности тока) и экономическими соображениями, так как для того чтобы получить слой заданной толщины на стенках отверстий, необходимо осаждать больший по толщине слой металла или сплава на поверхности печатной платы, а это связано с лишними электроэнергии и химикатов.

Важным в этом процессе является получение равномерного покрытия. Повысить равномерность гальванического покрытия можно путем:

- повышения рассеивающей способности электролита;

- применения нестационарных режимов осаждения (например, реверс тока);

- применения ультразвуковых колебаний при осаждении;

- перемешивания, барботирования воздухом электролитов, возвратно-поступательного перемещения подвесок с заготовками, в результате чего изменяется концентрационная поляризация электродов;

- применения поверхностно-активных веществ, повышающих рассеивающую способность электролитов;

- использования добавок, повышающих электропроводность электролитов.

Гальваническое меднение предназначено для осаждения слоя меди, являющегося основным токопроводящим слоем в структуре печатных элементов – проводников.

Помимо общих требований к гальваническим покрытиям, перечисленным выше, гальваническая медь должна отвечать также следующим требованиям:

- металлизация на поверхности и в отверстиях печатных плат должна быть сплошной;

- цвет осадка меди – светло-розовый;

- относительное удлинение меди – не менее 6%;

- пластичность – не менее 15%;

- предел прочности на разрыв – не менее 20 кг/мм²;

- удельное сопротивление – 0,0172 Ом мм²/м;

- толщина слоя меди в монтажных и переходных отверстиях – не менее 25мкм;

- осадок меди должен иметь мелкозернистую структуру.

Гальваническое осаждение металлорезиста осуществляют для защиты проводников, контактных площадок, металлизированных отверстий при проведении операции травления меди с пробельных мест.

В качестве защитного металлорезиста в производстве печатных плат применяют олово, свинец, олово-свинец, олово-никель, олово-висмут.

Направленность современных процессов металлизации состоит в решении проблем равномерности покрытия узких глубоких сквозных отверстий и глухих переходов со слоя на слой.

Проблему металлизации отверстий малого диаметра пытаются решить путем интенсификации процессов обмена рабочих растворов и электролитов в узких и глубоких отверстиях.

В дополнение к покачиванию и барботажу, используются вибраторы, располагающиеся по краю или по центру катодных штанг. Вибрация освобождает узкие отверстия от пузырьков воздуха и способствует более интенсивному обмену рабочих растворов и электролитов в отверстиях.

Чтобы улучшить обмен электролита в узких и глубоких отверстиях и избавиться от эффекта «парусности» используется покачивание с захватом заготовки не только сверху, но и снизу. Для обеспечения равномерности покрытия по площади заготовки в состав линий вводятся экраны. Наиболее эффективное новшество – импульсная металлизация, позволяющая не просто выровнять толщину металлизации в отверстии и на поверхности, но и при определенных режимах получить обратный эффект: толщина осаждения на поверхности меньше, чем в отверстии – при обратном токе анодное растворение поверхности идет более интенсивно, чем в отверстии или углублении.

Для получения устойчивого эффекта при металлизации узких отверстий в линиях химической обработки и электрохимической металлизации используется система принудительного продавливания рабочих растворов и электролитов в отверстия малого диаметра.

Еще один вариант решения проблемы металлизации узких отверстий – вертикальные (погружные) линии, в конструкции которых предусмотрена лазерная система позиционирования операторов, более 300 вариантов технологических маршрутов с возможностью программирования новых оптимальных вариантов.

Большое разнообразие предлагаемых различных способов добиться гарантированно высокого качества при металлизации отверстий малого диаметра говорит об отсутствии выбора в пользу хотя бы одного из них полностью удовлетворяющего всем требованиям по технологичности, стабильности, надежности.

Электролиты.

Повсеместное распространение получили кислые сернокислые электролиты меднения с выравнивающими и блескообразующими добавками. Фирм, предлагающих эти добавки на российском рынке, много. Замена добавок ведет к смене электролита, поэтому предприятия привязаны к добавкам той фирмы, с которой уже налажено сотрудничество.

Какие бы добавки не использовались, металлизация глубоких отверстий идет при малых плотностях токов (2 А/дм²). При этих условиях ионы металла успеют достичь металлизируемой поверхности глубоких отверстий. Все меры по инициации процессов (барботаж, качание катодных штанг) не ускоряют процесс. На металлизацию затрачивается больше часа.

Режим электрохимической (гальванической) металлизации это совокупность нескольких параметров:

плотность тока (А/дм ² );.

температура электролита;

продолжительность;

барботаж;

импульсный токовый режим, реверс и др.

Также интересны технологии горизонтальных линий металлизации. Этот интерес обусловлен оригинальным решением проблемы интенсификации обновления раствора в отверстиях. В этих линиях электролит нагнетается в отверстия струями. Для устранения эффекта парусности, свойственного ваннам с вертикальной загрузкой, плата по периферии зажимается роликами, попутно выполняющими роль токоподвода при движении заготовки.

Композиционные покрытия с заранее заданными свойствами.

Создание композиционных электрохимических покрытий (КЭП) является одним из актуальных направлений функциональной гальванотехники, призванным решать такие сложные задачи. Принцип получения КЭП основан на том, что вместе с металлами из электролитов-суспензий соосаждаются дисперсные частицы различных размеров и видов. Кинетика образования КЭП включает следующие стадии: доставку частиц к катоду, удерживание их у поверхности катода и заращивание частиц осаждающимся металлом. Варьируя условия электроосаждения, можно обеспечить такой микрорельеф поверхности, когда на ней удерживаются частицы определенного размера.

Включаясь в покрытия, частицы существенно улучшают их эксплуатационные свойства (твердость, износостойкость, коррозионную устойчивость) и придают им новые качества (антифрикционные, магнитные, каталитические). Благодаря этому КЭП находят широкое применение в различных отраслях промышленности, а разработка новых видов композиционных покрытий и изучение их свойств являются важной научно-технической задачей.

Эффективность использования КЭП во многом определяется природой дисперсной фазы. В качестве дисперсной фазы в электролиты вводят твердые частицы, размеры которых, как правило, не превышают 3 – 5 мкм, в отдельных случаях составляют несколько десятков микрометров. В последнее время все более активно исследуются композиционные покрытия, модифицированные наноразмерными частицами.

Перспективным дисперсным материалом композиционных покрытий являются ультрадисперсные наноалмазы, полученные методом детонационного взрыва. Такие частицы могут образовывать седиментационно и коагуляционно-устойчивые системы в электролитах. Они способны легко и обратимо принимать электроны без разрушения структуры, поэтому большой интерес вызывают их электрохими­ческие свойства. Однако, целый ряд проблем электрохимии УДА до сих пор остается неисследованным, в частности их совместное электроосаждение с металлами. Между тем, внедрение наноразмерных частиц в металлическую матрицу позволяет получать конструкционные материалы, превосходящие по функциональным свойствам существующие аналоги.

Виды брака на операции металлизации отверстий. Причины появления и способы устранения.

Успех операции металлизации отверстий в значительной степени определяют предшествующие операции: сверление отверстий, подготовка поверхности отверстий, активация, и, собственно, металлизация химическая и гальваническая.

1. Непокрытые медью участки поверхности отверстий.

Проявления этого дефекта следующие: шелушение медного покрытия вследствие недостаточной адгезии, покрытие неплотное, заметны по поверхности так называемые «пузыри», наличие открытых участков диэлектрика.

Этот дефект возникает по одной из нескольких причин: нарушение режимов сверления, некачественная очистка отверстий после сверления, недостаточно активированная поверхность отверстий.

2. Недостаточная толщина слоя медного покрытия в отверстии.

Нарушение режимов электрохимического осаждения меди.

2. Медный осадок крупнокристаллический, темно-розового цвета.

Нарушение режимов электрохимического осаждения меди.

Брак на операции металлизации, как правило, неокончательный, подлежит исправлению.

Тема 9

Финишные покрытия. Контроль качества ПП

Назначение и виды финишных покрытий.

Выбор финишных покрытий печатных плат.

Контроль качества ПП. По сложившейся терминологии финишными покрытиями называют покрытия монтажных элементов под пайку. Это значит, что финишные покрытия должны хорошо смачиваться припоем, долго сохранять паяемость, не отслаиваться в течение длительного времени эксплуатации. В силу того, что финишные покрытия предназначены для пайки, с ролью контактных покрытий они не справляются. Некоторые (иммерсионное золото, например) могут служить покрытием для прижимных контактов, но не более. Износостойкость их не контролируется.

Большое разнообразие финишных покрытий говорит об отсутствии выбора в пользу какого-либо, удовлетворяющего всем требованиям по стоимости, смачиваемости, долговечности и т.д.

Лидирующее положение в качестве финишных покрытий для печатных плат имеют OSP (ингибирующие органические покрытия), ENIG (химический никель и иммерсионное золото), ImAg (иммерсионное серебро), ImSn (имерсионное олово), HASL (горячее облуживание).

Ингибирующие органические покрытия OSP обеспечивают защиту медной поверхности от окисления в процессе хранения и пайки. В конце пайки этот слой, выполнив свою функцию, теряет способность обеспечивать последующие процессы пайки.

Существуют два наиболее распространенных способа защитной обработки поверхности меди: бензотриазолами (образуют на поверхности мономолекулярный слой, временно защищают медь от окисления) и имидазолами (образуют с медью более толстые и стойкие органические покрытия). При этом оба эти вещества взаимодействуют исключительно с медью и не адсорбируются на защитной паяльной маске или диэлектрике.

OSP готовят на основе водного раствора алкилмедазола. Процесс состоит из подготовки поверхности и нанесения покрытия при температуре около 40ºС в течение 40-50 с.

OSP имеет короткий жизненный цикл, что негативно сказывается на технологической надежности, особенно при высоких температурах.

Иммерсионные процессы – контактное восстановление металлов из их растворов на более электроотрицательных поверхностях. Происходит химическая реакция замещения металла основы на металл из раствора, как это произойдет, если железный гвоздь опустить в медный купорос: гвоздь покроется медью. В переводе с английского название означает «погружение». Действительно, достаточно погрузить деталь в раствор из менее электроотрицательного металла, чтобы начался процесс иммерсионного осаждения. После образования плотной пленки процесс останавливается, поскольку прекращается контактный обмен. Поэтому иммерсионные процессы образуют принципиально тонкие покрытия – до микрона, но и при такой толщине в осаждаемой пленке не может быть непрокрытий, поскольку процесс контактный, и закончится только тогда, когда поверхность основы полностью закроется.

Иммерсионное золочение. Иммерсионное серебрение. Иммерсионное оловянирование.

ENIG (химический никель и иммерсионное золото) – этот вид покрытия обеспечивает более высокие эксплуатационные характеристики. Тонкий слой золота (около 0,5мкм) защищает никель от окисления, а никель создает барьер, предотвращающий взаимную диффузию золота и меди. Это покрытие свободно от ионных загрязнений, отличается способностью к многократной пайке при высоких температурах, жизнеспособно более года, обладает хорошей смачиваемостью припоем при правильном подборе флюса.

НАSL-процесс горячего облуживания является наиболее распространенным финишным покрытием для печатных плат до 4-го класса точности.

Операция горячего лужения для нанесения припоя ПОС-63 проводится на установке НАSL при высокой температуре – 235ºС. Заготовка закрепляется в держателе, вертикально погружается в расплавленный припой, а в момент выхода излишки припоя снимаются т.н. «горячими ножами» (двухсторонний обдув горячим сжатым воздухом).

Но наплывы припоя неизбежно остаются, особенно много на развитых металлических поверхностях. В последующей сборке наплывы мешают установке мелких компонентов, что ограничивает применение НАSL. Существенный недостаток НАSL – жесткий термоудар, который испытывают платы при погружении в расплавленный припой. Это серьезная проблема для обеспечения надежности соединений в многослойных печатных платах.

Но с точки зрения качества покрытия, его исключительной способности к пайке, ему нет равных. Поэтому, если на предприятии и изготавливают платы, и осуществляют сборку, находят компромиссы, чтобы использовать НАSL.

Резисты (металлорезисты, фоторезисты, краски) определяют выбор травящих растворов, подготовку монтажных поверхностей печатной платы к пайке и последовательность операций перед нанесением паяльной маски. Это один из критериев выбора финишных покрытий. В таблице показаны основные системы травителей для различных резистов.

Травящие растворы по различным типам резистов.

Резисты	Травящие растворы	Качество рисунка
Гальванический сплав олово-свинец	Аммиачный комплекс хлорной меди	Хорошее
Гальваническое золото	Любые	Отличное
Гальванический никель	Хлорная медь	Хорошее
Резисты	Травящие растворы	Качество рисунка
Гальваническое серебро	Хлорное железо или железо	Удовлетворительное
Фоторезисты	Хлорная медь или железо	Отличное
Трафаретные краски	Хлорная медь	Плохое

Другим критерием выбора является качество поверхности, которое обеспечивают финишные покрытия для сборки узлов и пайки компонентов. В таблице приведены такие оценки.

Таблица Оценки финишных покрытий поверхностей монтажных элементов

Вид поверхности, характеристики	Гальванические			Иммерсионные		HAL процесс	Пассивация орг. ингибиторами
	олово-свинец	никель	олово	Ni/Au	Олово
Воспроизве-дение рисунка, мм	0,2	0,2	0,12	0,05	0,10	0,15	0,05
Паяемость	Отл.	Неуд.	Отл.	Хор.	Отл.	Отл.	Отл.
Повторная пайка	Отл.	Удовл.	Отл.	Хор.	Удовл.	Отл.	Удовл.
Компланарность	Отсутствует	Отл.	Хор.	Отл.	Отл.	Отсутствует	Отл.
Надежность паек	Отл.	Плохая	Хор.	Хор.	Удовл.	Отл.	Удовл.
Использование как металорезиста	Можно	Возможно	Можно	Невозможно	Невозможно	Невозможно	Невозможно
Затраты относительно тентинг-процесса	120%	115%	120%	110%	130%	100%	90%

Для выбора финишных покрытий предлагается два варианта.

Вариант 1. Если предпочтение отдано схеме процесса, по которой при травлении рисунка для защиты используется металлорезист (КПМ), то в выборку попадают сплав олово-свинец, олово, никель, палладий и серебро. Из них по паяемости без оплавления лучшими могут быть олово, палладий и серебро. По устойчивости к электрохимическим отказам выгодно отличаются палладий и олово. По стоимости - предпочтительней олово.

Травление меди по оловянному металлорезисту осуществляется в аммиачном комплексе хлорной меди - универсальном травящем растворе. Этот состав пригоден в том числе для травления меди по фоторезисту. Таким образом, в качестве металлорезиста и покрытия под пайку целесообразно использовать олово (точнее, олово со следами кобальта). Соответственно, в качестве травителя - аммиачный комплекс хлорной меди.

Вариант 2. Если требуется изготавливать платы не выше 4 класса точности по тентинг-процессу, в качестве финишного покрытия, как правило, используют горячее облуживание по паяльной маске.

Контроль качества ПП. Виды контроля.

Повышение плотности размещения элементов соединений на единицу площади печатных плат, увеличение их абсолютного числа и уменьшение размеров усложняют задачу обеспечения надежности, требуют дальнейшего совершенствования методов и средств контроля печатных плат. Даже при повышении технического уровня и автоматизации производства по мере увеличения числа электронных компонентов на печатных платах наблюдается увеличение числа дефектов, которые нужно обнаружить, локализовать и устранить.

Весь комплекс мероприятий по проведению контроля качества ПП отражен в стандартах предприятия, где установлены требования к проведению входного контроля материалов основания, требования к операционному контролю, методы контроля, контроль готовой продукции.

Контроль и испытания проводят с целью:

- проверки соответствия ПП требованиям, установленным в технических заданиях и технических условиях на изделия;

- контроля технологического процесса (операционного контроля) изготовления ПП;

- выявления возможных отказов готовой продукции.

Все многообразие видов и способов контроля качества ПП можно классифицировать по различным признакам:

- контроль по признакам внешнего вида (цвет, блеск и др.);

- геометрия ПП и ее отдельных элементов;

- механические характеристики;

- электрические характеристики.

Контроль может быть разрушающий и неразрушающий.

По способам: оптический, электрический, рентгеновский.

Основную информацию о состоянии объекта контроля человек получает непосредственно зрительным осмотром или с использованием увеличительной оптики. Большая часть признаков внешнего вида является основополагающей при оценке качества печатных плат. Более того, любой другой вид контроля в случае обнаружения дефекта подтверждается внешним осмотром, позволяющим зрительно убедиться во внешних проявлениях дефектов.

При электрическом тестировании печатных плат различают функциональные, параметрические, диагностические критерии оценки качества.

При функциональном контроле проверяется правильность соединений и разобщения цепей.

Параметрический контроль позволяет выявить дефекты, идентифицировать их с нарушениями технологических режимов и устранить их.

Физическую основу диагностических методов контроля составляют исследования и анализ физических характеристик объекта, приводящих к отказам.

Требования к высокой достоверности контроля печатных плат и настоятельная необходимость автоматизации операций контроля служат основанием для преимущественного использования электрических методов проверки качества печатных плат.

Перечень вопросов к экзамену

1. Общие сведения о печатных платах.

2. История развития технологии производства печатных плат.

3. Классификация конструкций и схемы изготовления печатных плат.

4. Субтрактивный, аддитивный, полуаддитивный, комбинированный негативный и позитивный методы получения схемы печатной платы.

5. Сравнительная характеристика различных методов изготовления печатных плат. Выбор метода изготовления.

6. Многослойные печатные платы. Метод металлизации сквозных отверстий. Метод попарного прессования.

7. Многослойные печатные платы с микропереходами.

8. Гибкие и гибко-жесткие печатные платы.

9. Элементы конструирования ПП. Элементы проводящего рисунка. Корпуса микросхем.

10. Плотность межслойных соединений. Методы увеличения плотности монтажа ПП: уменьшение ширины проводников и зазоров, уменьшение диаметра металлизированных отверстий, увеличение количества слоев ПП

11. Системы автоматизированного проектирования ПП.

12. Базовые материалы для изготовления печатных плат.

13. Основные типы фольгированных материалов. Физико-механические свойства фольгированных материалов. Электрические характеристики материалов.

14. Классификация технологических операций.

15. Подготовка поверхности. Понятие об очистке поверхности. Классификация загрязнений. Контроль качества очистки.

16. Механическая и химическая подготовка поверхности.

17. Специальная подготовка поверхности.