книги из ГПНТБ / Федоров А.М. Основы контроля печатных схем

1.Размягчение при экспонировании желатинового слоя. Такое явление вызвано тем, "что применяется слишком сильный источник света, или тем, что бумага хранится во влажном помещении;

2.Бумажная подложка трудно отделяется, рисунок проявляется плохо. Объясняется это использованием старой пигментной бумаги или передержкой при экспо­ нировании-;

3.Изображение не переносится на сетку или пере­ носится частично. Причина — некачественная подготов­ ка сетки, недостаточное или неравномерное давление при переносе

4.Плохое сцепление пигментно-желатинового слоя с сеткой. Это результат использования загрязненной сет­ ки или хранения трафарета во влажном помещении.

Фотоспособ нанесения изображения является значи­ тельно более сложным, чем сеткографический, поэтому вероятность отклонений технологических режимов при его использовании намного больше. Под отклонениями следует понимать повышенную или пониженную «вяз­

кость светочувствительной эмульсии, недостаточную или слишком высокую скорость вращения в центрифуге, слишком высокую температуру сушки, недостаточное или избыточное время экспонирования при печати, слишком низкую или высокую температуру воды во время проявления и т. д.

Контроль приготовления светочувствительной эмуль­ сии. Осуществляется в химической лаборатории ' цехаизготовителя ‘печатных плат. От того, насколько правильно приготовлен раствор и каково качество исходных материалов, зависит стойкость защитного слоя.

В процессе выпуска печатных плат комбинирован­ ным позитивным методом к- защитному покрытию предъявляются повышенные требования. Объясняется это тем, что на него воздействует электролит гальвани­ ческого меднения. Поэтому рекомендуется применение светочувствительного раствора на основе поливинило­ вого спирта повышенного качества, изготовляемого по ТУ П-172—67 или марки Р/2 по ТУ 605—1470—71.

При производстве печатных плат комбинированным негативным методом допускается использование полнринилового спирта всех марок.

119

Чтобы получить необходимую стойкость защитного слоя, важно правильно определить количество сухого поливинилового спирта, требуемого для получения од­ ного литра эмульсии нужной вязкости. Методика опре­ деления заключается в следующем. От каждой партии поливинилового спирта берется несколько навесок (не менее трех) с разницей между ними в 10 г и приготав­ ливают светочувствительныерастворы. Затем с помо­ щью вискозиметра ВЗ-4 при температуре 2 0 + 2° С за­ меряется вязкость каждого раствора и строится график ее зависимости от количества взятого поливинилового спирта. Пользуясь графиком, определяют количество этого спирта, необходимое для.получения рабочей вяз­ кости.

Точность навесок зависит от условий хранения сухо­ го прливинилового спирта. Обычно такой спирт хранит­ ся расфасованным в полиэтиленовых мешках в количе­ стве, необходимом для одноразовой загрузки. Для пре­ дотвращения впитывания влаги из окружающей среды сухой спирт помещают в сухую комнату, где не содер­ жатся агрессивные химические вещества. Спирт должен находиться в таре, герметически закрытой.

Приготовляя эмульсию на основе жидкого поливини­ лового спирта руководствуются расчетным количеством в соответствии с данными табл. 29.

Приготовленный светочувствительный раствор выда­ ют в работу по истечении 24 часов. Именно такое время

120

необходимо для того, чтобы раствор созрел и чтобы удалить из него пузырьки воздуха.

Контроль качества нанесения светочувствительной эмульсии осуществляется визуально после сушки заго­ товок в центрифуге. Чтобы не допустить подтеков или смывов эмульсии, скорость вращения в центрифуге под­

сушенной нормально, — со­ хранение влажности краями

эмульсионного слоя, где он имеет наплывы. Правильность режима сушки проверяется путем про­

явления светочувствительного слоя без экспонирования. При режиме, проведенном правильно, на заготовке не должно оставаться следов поливинилового спирта.

Необходимо, чтобы разрыв между операциями нане­ сения светочувствительного слоя и экспонированием был минимальным. Максимально допустимый срок хра­ нения заготовок — не более 4 часов (влажность окружа­ ющего воздуха 65 + 5%, температура не выше 20°С). В исключительных .случаях хранение заготовок до су­ ток допускается в холодильнике.

От фоторезиста требуется высокая разрешающая способность, что может быть достигнуто лишь на одно­ родных, без проколов пленках, обладающих хорошим сцеплением с фольгой. Поэтому недооценивать важ­ ность операций, предшествующих нанесению фоторезис­ та, нельзя. Нужно до минимума сводить содержание влаги в подложке или резисте, так как она может стать причиной проколов или плохой адгезии.

Светочувствительность слоя в значительной степени зависит от влажности копировального слоя. Содержа­ ние влаги в пленке определяется режимом сушки слоя

121

и относительной влажностью воздуха в помещении. Ес­ ли слой высушивается при нагревании и высокой отно­ сительной влажности, то пленка имеет большое коли­ чество влаги. Высушивание слоя при нагревании, но с принудительным движением воздуха позволяет полу­ чить пленку с малым содержанием влаги. Начальное ее содержание в пленках копировальных слоев после высу­ шивания до акклиматизации колеблется для поливини­ лового спирта от 20—40%. Равновесное состояние влажности с воздухом наступает через час после аккли­ матизации.

Устойчивость слоя к воздействию проявляющих ра­ створов также в значительной степени заъисит от влаж­ ности пленки. В случае высокой влажности, скорость диффузии проявляющего раствора через задубленный слой возрастает. Это является основной причиной по­ лучения некачественных печатных плат. Для предотвра­ щения брака влажность воздуха в копировальном поме­ щении рекомендуется поддерживать не выше 60—65%. При низкой влажности (35% и меньше) процесс прояв­ ления резко замедляется. В результате изображение на заготовке печатной платы получается нечетким.

Рассмотрим методы и средства исследований и конт­ роля копировальных слоев. Важнейшими свойствами, определяющими качество нанесения фоторезиста на за­ готовку, являются их разрешающая и выделяющая спо­ собность, толщина и стойкость в травильных и гальва­ нических растворах.

Разрешающая способность — это свойство слоя пере­ давать раздельно штрихи одинаковой ширины, разде­ ленные промежутками, равными ширине отдельного штриха. Разрешающая способность копировального слоя измеряется предельным числом штрихов на 1 мм скопированного изображения со свободными от слоя промежутками.

Выделяющая способность — способность копироваль­ ного' слоя передавать отчетливо отдельно стоящий штрих, рядом с которым других штрихов или мелких деталей нет. Измеряется выделяющая способность ми­ нимальной шириной скопированного штриха. Наиболее приемлемым из существующих способов определения разрешающей и выделяющей способностей копироваль­ ных слоев является способ копирования на слой специ­

122

альных испытательных таблиц — мир [116]. После со­ ответствующей обработки полученные на копии миры исследуют под микроскопом и определяют либо пре­ дельное количество штрихов на 1 мм поверхности пере­ данных слоев раздельно, либо ширину задубленного штриха, стоящего отдельно.

Так как величина разрешающей и выделяющей, спо­ собности копировального слоя в значительной степени зависит от характера распределения света внутри его и наподложке под прозрачным штрихом миры, величины экспозиции при копировании, условия, процесса прояв­ ления копий, то миры, в основном, используются для определения времени экспозиции и неравномерности на­ несения слоя на заготовку.

Основной показатель качества нанесения фоторезис­ та на заготовку — толщина копировального слоя. Чем больше она, тем больше время экспозиции, продолжи­ тельнее процесс сушки; в случае малой толщины воз­ можно нарушение резистивного слоя при травлении. Оптимальная толщина и равномерность распределения копировального слоя по площади заготовки являются основой для получения качественных изображений на плате. Определить толщину копировального слоя мож­ но двумя путями: механическим способом и способом двух микроскопов.

Механический способ — измерение -смещения специ­ ального щупа с индикаторной головкой, шкала прибора которого имеет цену деления 0,01 мм. Способ пригоден для измерения сравнительно больших толщин слоев и в этом его существенный недостаток.

Метод двух микроскопов заключается в том, что сна­ чала на резкость наводится верхний слой резиста, а за­ тем верхний слой заготовки. Разность между двумя по­ казаниями шкалы обозначает толщину копировального слоя.

Стойкость защитного слоя на основе поливинилового спирта определяется азотной кислотой 'методом капли. Цель такой проверки — исключение попадания загото­ вок, имеющих недостаточно стойкий защитный слой, на операцию гальванического наращивания, если попадание не будет предотвращено, может появиться неисправи­ мый брак. Особенно важно тщательно контролировать стойкость защитного слоя, когда печатные платы изго­

123

тавливаются комбинированным позитивным мето­ дом.

Контроль проходят заготовки с нанесенным рисун­ ком, прошедшие химическое и термическое дубление. При равномерной толщине защитного слоя замер произ­ водится в одной точке, а если разброс толщины слоя большой, то в нескольких местах.

Сущность данного метода такова. На технологичес­ ком поле платы восковым карандашом очерчивают круг диаметром 8—10 мм. В очерченный круг пипеткой нано­ сится одна капля 40%-ной азотной кислоты, (уд. вес 1,2). Капля выдерживается в течение 2 мин, затем кислота удаляется с помощью фильтровальной бумаги.

Нанесение HN03, выдержка и удаление кислоты по­ вторяются до полного разрушения защитного слоя. Раз­ рушение его определяется по реакции взаимодействия кислоты с медью.

По окончании испытаний подсчитывается общее вре­ мя, затраченное на разрушение защитного слоя, или ко­ личество капель. Время выдержки в азотной кислоте или количество капель для каждого конкретного уста­ новившегося технологического процесса определяется опытным путем. Ориентировочно оно должно состав­ лять 20 мин, или 10 капель.

Экспонирование и проявление изображения рисунка осуществляются без разрыва операций. Оптимальное время экспонирования зависит от типа и толщины слоя резиста, расстояния от источника света до платы. Такое время устанавливается опытным путем.

Главное требование при экспонировании — чистота и обеепыленность окружающей среды. Это важно не только с точки зрения точного воспроизведения схемы, но и снижения возможности механического поврежде­ ния пленки и подложки. В зоне экспонирования не до­ пускается повышение температуры более 35° С, посколь­ ку возможна усадка негативов (диапозитивов) и появ­ ление за счет теплового дубления эмульсионного слоя вуали. Освещенность по всей поверхности копироваль­ ной рамы устанавливается равномерной и контролиру­ ется с помощью люксметра. Разница в величинах не должна превышать 1000 люкс.

Выбираемая температура при проявлении изобра­ жения — от 35 до 40° С, она поддерживается постоянной

124

в пределах I—2° С. Температурный контроль осущест­ вляется с помощью термометра, вмонтированного в ду­ шевую насадку. Время проявления устанавливается опытным путем. Контроль качества проявления упроща­ ется окрашиванием изображения. Наличие окрашенных участков на пробельных местах свидетельствует о пло­ хом проявлении. После проявления эмульсия с участков, не подвергавшихся экспонированию, должна быть пол­ ностью удалена (полное отсутствие вуали). Присутст­ вие вуали — свидетельство несоблюдения технологичес­ кого процесса.

Химическое и тепловое дубление. Усиливает кисло­ тоупорность защитного слоя. Время между проявлени­ ем изображения и сушкой должно быть возможно мини­ мальным без разрыва между операциями.

При химическом дублении в растворе хромового ан­ гидрида (удельный вес 1,017) необходимо строго конт­ ролировать температуру раствора, которая не должна превышать 22° С. Обычно растворы используются в те­ чение семи дней. Концентрация проверяется ежедневно. На основании результатов анализа или удельного веса раствор в случае необходимости корректируется.

Заготовки, хорошо задубленные, не должны иметь синего оттенка. Цвет эмульсионного слоя — от светлокоричневого до коричневого. Передержка в растворе хромового ангидрида вызывает разрушение эмульсион­ ного слоя.

Термическое дубление осуществляется при темпера­ туре 110—120° С в течение 2—3 часов, инфракрасное — 10—15 минут для негативного и 1 час для позитивного методов. Повышение и понижение температуры обеспе­ чивается со скоростью 1—3°С в минуту.

Отдельные точечные повреждения защитного слоя можно устранять за счет ретуширования кислотостой­ ким составом.

Химическое травление фольги завершает получение рисунка схемы. Типичными причинами брака на этом этапе изготовления является несоблюдение технологи­ ческого режима при травлении (недостаточное или из­ быточное время обработки, несоответствие температуры травящего раствора заданным величинам, истощение травящего раствора и т. п.). Поэтому необходимо, преж­ де всего, тщательно контролировать процесс травления

125

и особенно тщательно промывать заготовку, чтобы уст­ ранить нежелательные ее химические загрязнения.

При травлении хлорным железом подложка печат­ ных плат загрязняется солями железа и меди. В услови­ ях повышенной влажности и температуры это приводит к резкому снижению электроизоляционных свойств ос­ нования.

Химическому загрязнению способствует длительное непрерывное использование одной травильной ванны. При этом образуется илистый осадок, представляющий собой смесь фильтрующейся меди и окиси железа. Мельчайшие его частицы покрывают поверхность заго­ товки тонким, прочным и гладким, как зеркало, слоем. Окись железа за счет промывки в воде полностью уда­ лить невозможно. Поэтому предусматривается промыв­ ка плат в растворе 5—10%-ной соляной или щавелевой кислоты с последующей промывкой в проточной воде.

Если раствор хлорного железа слишком концентри­ рованный или слабый, травление происходит медленно. Процесс его ускоряется при повышении температуры. Однако такая мера применима не в любом случае. На­ пример, когда рисунок наносится фотоспособом, темпе­ ратура раствора в случае использования желатиновой эмульсии не должна превышать 25° С, в случае исполь­ зования эмульсии на основе поливинилового спирта и при сеткографическом методе 35—40° С. Важным фак­ тором, увеличивающим скорость химической реакции травления, является непрерывное покачивание загото­ вок или перемешивание травильного раствора.

Несмотря на то, что хлорное железо нашло широкое применение в промышленности, следует иметь в виду, что использование его, как травителя, возможно не всегда. Хлорным железом нельзя пользоваться в тех случаях, когда защитным слоем печатных проводников служат кислотостойкие сплавы и металлы. Этот недостаток — общий для всех других хлористых травящих растворов.

Вследствие постоянно возникающих в травильном растворе изменений соотношения хлорного железа и хлористой меди, испарения, разбавления и т. д.—надеж­ ное определение качества травильного раствора осуще­ ствимо только с помощью методов химического анализа.

Предварительная оценка качества раствора выпол­ нима на основании времени травления или степени ис-

126

тощения травильного раствора. Время травления (или скорость) определяется по-разному. Однако во всех слу­ чаях нужно точно определить время, необходимое для растворения известного веса меди при постоянных усло­ виях травления (температура, концентрация, интенсив­ ность перемешивания, площадь поверхности меди, под­ лежащей травлению, объем раствора и т. д.). Если речь идет об оценке качества травления, то необходимо учи­ тывать применяемые методы очистки, положение платы при травлении, ее размеры и т. д.

Степень истощения раствора выражается обычно в граммах растворенной меди на литр первоначального раствора, содержание такой меди определяется наибо­ лее точно с помощью химического анализа.

Исследования показали, что допустимое содержание растворенной меди — 60 г/л. Выше этого предела время травления начинает увеличиваться, а в случае содержа­ ния в травильном растворе меди 82 г/л (что соответст­ вует 40% истощения раствора) резко возрастает. Но и такой раствор не является полностью отработанным

[109].

При наличии вспенивания, загрязнения, осадка твер­ дого вещества, изменения удельного веса и низкой ско­ рости травления раствор надо сменить.

Если в качестве защитного слоя применяются кисло­ тостойкие сплавы и металлы, то для травления исполь­ зуется раствор персульфата аммония. Следует иметь в виду, что персульфат аммония по устойчивости к раз­ ложению, зависимости скорости травления от содержа­ ния меди в общей полезной емкости растворенной меди

.хуже хлористых травителей. Он также дает большее подтравливание, чем другие травители.

Контроль качества раствора заключается обычно в анализе содержания растворенной меди. Время, необ­ ходимое для травления меди данной толщины, зависит от количества растворенной меди. Если объем ванны травителя невелик, то целесообразно заменять ежеднев­ но весь раствор свежим.

Для предупреждения при травлении побочных про­ цессов необходимо строго контролировать температуру раствора, которая должна'' находиться в интервале, весьма узком, 50—55° С. Нагрев до температуры около 65°С вызывает быстрое разложение раствора с выделе­

127

нием газообразных соединений азота. Растворы пер­ сульфата аммония должны быть использованы, как пра­ вило, не позже, чем через несколько дней после приго­ товления.

В процессе травления нужно строго следить за тем, чтобы на плате не выкристаллизовывались соли, кото­ рые вызывают, неравномерное травление и разрушение защитного слоя. Когда содержание меди в растворе становится высоким,' может выпасть сульфат меди го­ лубого цвета. При повышении концентрации раствора, вследствие избыточного испарения воды, могут выпа­ дать кристаллы персульфата аммония белого цвета.

Если растворы персульфата аммония налиты в уста­ новку для травления или резервуары, ранее использо­ ванные для хлорного железа или других травителей, то персульфат может катализироваться солями меди и же­ леза и начать самопроизвольно разлагаться. Продукты травления персульфата аммония растворимы в воде, по­ этому они легко удаляются с подложки в процессе про­ мывки, следующей за травлением.

Контроль получения рисунка схемы осуществляется в процессе изготовления и после травления. Для конт­ роля качества и точности выполнения рисунка исполь­ зуются лупы 4 4-10 крат или микроскопы типа МБС-2, МПБ-2.

Критериями оценки рисунка схемы при соблюдении режимов обработки являются ее целостность и соответ­ ствие ее элементов чертежно-технической документа­ ции. Необходимо, чтобы ширина проводников и зазоров соответствовала чертежу. Проводники и контактные площадки должны быть четкими, иметь ровные края, на них не допускается протрав. На поверхности диэлектрика не допускается наличие участков нестрав­ ленной 'меди, остатков эмульсии, клея, краски и рету­ ши. Отдельные точечные участки такой меди можно удалять скальпелем.

При изготовлении печатных плат комбинированным негативным методам цвет проводников и контактных площадок может быть от розового до темно-розового.

Что касается технологического процесса комбиниро­ ванного позитивного метода изготовления плат, то осо­ бенности его построения предъявляют при оценке ри­ сунка схемы дополнительные требования, поскольку до

128