Подготовка поверхности стенок отверстий.

Подготовка сквозного межслойного перехода включает следующие этапы:

• удаление рыхлых, слабосвязанных с поверхностью стенки сквозного межслойного перехода продуктов сверления,

• очистка от загрязнения («наволакивания») полимерным связующим изоляции диэлектрика контактирующих поверхностей проводников, входящих в сквозной межслойный переход,

• обеспечение адгезии меди с диэлектрической поверхностью сквозного межслойного перехода в процессе формирования металлизированного проводника,

• сохранение изоляционных свойств диэлектрика в зоне сквозного межслойного перехода.

Появление загрязнения в сквозном переходе обусловлено различными процессами физико-механического характера, сопровождающими процесс сверления МПП.

Условия резания стеклопластика с различными полимерными связующими обладают характерными одинаковыми недостатками:

• плохая теплопроводность,

• высокое адгезивное воздействие на сверло,

• неоднородность структуры (полимерное связующее, медь, стеклоткань).

Удаление рыхлых, слабосвязанных с поверхностью стенки сквозного межслойного перехода продуктов сверления не вызывает большого затруднения, поскольку имеется много методов и оборудования для выполнения данной операции. Намного сложнее обстоит дело с очисткой от полимерного связующего контактирующих поверхностей.

Необходимость удаления «наволакивания» обусловлена следующими основными причинами:

«наволакивание» препятствует электрическому контакту между проводниками, выходящими в сквозной межслойный переход, и формируемым цилиндрическим проводником,

полимерное «наволакивание» в процессе пайки или оплавления может подвергнуться деструкции с выделением газообразных продуктов. Для всех полимерных материалов существует характеристика, которая для термопластов называется» температура стеклования», а для реактопластов

«температура размягчения»: Тст. Для большинства эпоксидных композиций отечественного производства Тст лежит в диапазоне 80-120°С, а деструкция эпоксидных полимеров начинается со 180°С.

В процессе сверления МПП сверло может достигать температуры 360°С, в результате этого полимерное связующее разогревается, приобретает высокую эластичность и адгезионную способность. В ходе разогрева полимерное связующее может быть модифицировано, что приведет к изменению химических связей и изменению структуры, и может вызвать большие осложнения при удалении «наволакивания». Помимо очистки контактирующей поверхности проводника, входящего в сквозной межслойный переход, необходимо удалить часть полимерного связующего с диэлектрической стенки сквозного межслойного перехода, поскольку в момент сверления тонкий слой изоляции диэлектрика подвергается термическому воздействию.

Другим аспектом подготовки контактирующих поверхностей является обеспечение адгезии химической меди к поверхности сквозного перехода. Это достигается с помощью механических методов, поскольку после удаления полимерного связующего образуются рыхлые продукты. Использование любых методов подготовки контактирующих поверхностей не должно ухудшать сопротивление изоляции в зоне сквозного межслойного перехода за счет возникновения металлизированных капилляров.

Имеющиеся в настоящее время методы подготовки контактирующих поверхностей можно разделить на следующие группы:

1. Механическая подготовка,

2. Химическая подготовка,

3. Плазмохимическая подготовка.

С появлением плазмохимической очистки все эти методы условно можно разделить на «мокрые» и «сухие».

Для МПП механические методы подготовки применяются только в комплексе либо с «мокрыми», либо с «сухими» методами. Наибольшее распространение из механических методов получил метод гидроабразивной обработки, суть которого заключается в создании водной пульпы электрокорунда или пемзы в определенном соотношении и подачи их с помощью сжатого воздуха или насоса через форсунки на обрабатываемые отверстия. Сама очистка осуществляется за счет кинетической энергии абразивных частиц. Этот метод хорошо применять в тех случаях, когда сквозные межслойные переходы имеют большой диаметр и толстую медную фольгу наружных слоев. Однако, в случае перехода к МПП с малыми сквозными переходами и тонкой фольгой наружных слоев появляются явления «наклепа» фольги, создающие экранирующий эффект над отверстием межслойного перехода. Это приводит к следующему:

1. трудно полностью удалить абразивные частицы;

2. при химической обработке растворы труднее удалимы.

Прогрессивным методом считается применение струй воды высокого давления (более 60 бар), поскольку здесь отсутствует эффект «наклепа», нет необходимости удаления абразивного порошка. Этот метод наиболее применим для глубоких сквозных отверстий. Но в случае тонкомерной фольги, толщиной 5-12 мкм, необходимо контролировать состояние фольги наружных слоев с тем, чтобы из бежать необратимых разрушений.

Из химических методов в настоящее время наибольшее развитие и распространение получили следующие:

1. Подготовка поверхностей с помощью серной и фтористоводородной кислот как в смеси, так и раздельно;

2. Подготовка с использованием хромового окислителя;

3. Подготовка с использованием щелочного раствора перманганата калия.

В России наибольшее распространение получил метод с использованием кислот, тогда как за рубежом большое распространение получил метод с использованием хромосодержащего окислителя. Однако, необходимо отметить, что в настоящее время усиленно рекламируется перманганатный метод, который пока широкого распространения не получил.

Однако, необходимо помнить, что химические методы не являются универсальными, а направлены на один, или максимум на два типа полимерных связующих, что существенно снижает их эффективность, особенно при создании МПП на новых материалах.

Помимо этого выявлено, что химические методы очень сложно использовать при очистке глубоких отверстий. Это обусловлено тем, что глубокие отверстия приобретают свойства капилляров, а это в свою очередь, затрудняет удаление из них раствора и приводит к различным дефектам. Кроме того, скорость травления в кислотных травителях является трудно управляемым процессом, так за несколько секунд может быть стравлено свыше 60 мкм эпоксидного диэлектрика. На скорость травления влияет плотность и концентрация кислот, температура и степень полимеризации связующего изоляции диэлектрика.

При этом может происходить проникновение травящего раствора за счет капиллярных сил внутрь изоляции диэлектрика по границе раздела полимерное связующее - стеклоткань. Здесь предположителен следующий механизм: во время сверления происходит расщепление между полимерным связующим и стеклотканью, из-за плохого удаления аппрета в эту полость проникают сначала насыщенные пары травителя, которые и увеличивают размеры этого капилляра. В процессе металлизации по этому капилляру осаждается медь, что приводит к образованию паразитных емкостей, снижению сопротивления изоляции диэлектрика в зоне сквозного перехода вплоть до образования короткого замыкания.

Аналогичные дефекты просматриваются и у других химических методов очистки, поэтому они не пригодны при изготовлении высокоплотных МПП с большим отношением толщины к диаметру. Кроме этого, все эти методы являются очень токсичными для персонала и требуют соблюдения специальных условий работы и оборудования. Вследствие высокой коррозийной активности срок службы оборудования ограничен. Помимо этого, встает много проблем с утилизацией отработанных растворов, которые обладают высокой экологической опасностью: как кислотные травители содержат фенолы, а другие соли тяжелых металлов, такие как хром и марганец. Исходя из всего сказанного выше, более безопасным и болеетехнологичным является метод плазмохимической подготовки. Начиная с 1975 года, идет постоянный поиск улучшения оборудования и технологии подготовки контактирующих поверхностей плазмохи-мическим методом.

Но побочные эффекты не дали возможность сразу и широко применить этот метод.

Плазма образуется при внешнем электрическом воздействии с помощью различного рода газовых разрядов в сильных постоянных и переменных электрических и постоянных магнитных полях. Характерная частота переменного электрического поля - от единиц килогерц до единиц гигагерц. В зависимости от фирмы и типа оборудования используются все эти частоты. Так фирма «Техникс-Плазма» ФРГ для моделей (3017Е; 3027Е; 3067Е) использует частоту 40 - 45 кГц, а в моделях 3007S- 2,45 ГГц. Использование тех или иных частот обязывает внимательно относиться к времени обработки, поскольку увеличение частоты приводит к резкому разогреву диэлектрика за счет диэлектрических потерь. При протекании плазменного процесса в ограниченном объеме реактора происходит как ионизации, так и рекомбинация. Кроме того, плазма обладает различными видами излучений, где не последнее место занимает ультрафиолет.

Суть плазмохимической очистки или подготовки составляет процесс плазмохимического травления (ПХТ) полимерного связующего диэлектрика: основу процессов плазмохимического травления составляют химические реакции энергетических частиц плазмы с материалом на его поверхности. Инициирование таких реакций возможно только при наличии высокой химической активности частиц плазмы. Для проведения этой очистки применяется газоразрядная плазма, использующая в качестве газовой среды кислород и фреон. Под действием высокочастотного электрического поля молекулы кислорода и фреона переходят из стабильного состояния в возбужденное и при этом образуются: активные молекулы, активные атомы, свободные радикалы, ионы, электроны.

В процессе плазмохимического травления более 90% активных частиц составляют свободные радикалы, которые и представляют собой главный источник реакционной способности плазмы. Число ионов, участвующих в процессе, не превышает нескольких процентов от числа радикалов, следовательно, процесс протекает по радикальному механизму.

Подготовка контактирующих поверхностей заключается в следующем:

1. yoaiмеханическое удаление рыхлых, слабосвязанных остатков продуктов сверления;

2. yoaiразрушение полимерного связующего на контактирующих поверхностях;

3. yoaiмеханическое удаление остатков полимерного связующего после разрушения.

Обычно в России для исполнения этой схемы используют гидроабразивное оборудование и установки кислотного травления. Однако, наиболее оптимальным является оборудование, использующее струи высокого давления, фирм «Шмид» и «Реско».

Помимо модуля струй высокого давления в эти установки входят модули с абразивными валками и блоком ультразвуковой отмывки и блоком сушки на выходе.

Эти установки позволяют снимать заусенцы после сверления и удалять окисленный или ингибирированный слой с поверхности фольги. Для разрушения полимерного связующего и подготовки контактирующих поверхностей используется установка 3067Е фирмы «Техникс-Плазма». Эта установка обладает высокими технологическими характеристиками. Разработаны методики для подбора оптимального технологического режима. Суть методик заключается в том, что при разных технологических режимах полимерное связующее удаляется с разной скоростью и по разнице веса, переведенного на процент потери массы дается заключение об его эффективности. Существенным является то, что процент потери массы должен превышать процент влагопоглощения на данный конкретный диэлектрический материал.

Плазмохимическая обработка обладает универсальностью. За счет подбора режима травлению подвергаются эпоксидные композиции, метилметакрилаты, полиимиды, а также фторопласты. При определении технологических режимов, куда входит определение соотношения рабочих газов кислород/фреон 14, мощность, передаваемая в реактор, время обработки, установлено, что для большинства эпоксидных композиций максимум травления приходится на соотношение кислорода к фреону, как 80% к 20%, рабочее давление 0,2 - 0,3 Мбар, мощность 3,0-3,3 кВА и время от 15 до 40 минут.

Выбор времени плазмохимической подготовки зависит от толщины наволакивания полимерного связующего.

В связи с этим разработана классификация качества сверления: величина наволакивания. Оценка качества сверления

до 2 мкм отлично

до 5 мкм хорошо

до 6 мкм удовлетворительно

до 8 мкм неудовлетворительно

свыше 8 мкм совершенно неудовлетворительно.

Наволакивание свыше 5 мкм нежелательно,

В реальном производстве бывают случаи, когда величина наволакивания превышает толщину 5 мкм, тогда цикл повторяют и, как правило, все очищается.

После разрушения полимерного связующего на контактирующих поверхностях необходимо удалить остатки продуктов реакции и подготовить поверхность стенки сквозного перехода под химическую металлизацию. Для этой цели используется установка «Комби-Браш». Создаваемое ею давление воды около 100 бар позволяет эффективно очищать сквозной межслойный переход от различных видов загрязнений.

Современные методы подготовки контактирующих поверхностей в высокоплотных МПП базируются на комбинированном методе с применением гидромеханической очистки струями высокого давления и плазмохимической очистки.