Травление меди с пробельных мест

Травление представляет собой сложный окислительно-восста­новительный процесс, который применяют для формирования про­водящего рисунка печатного монтажа путем удаления меди с не­проводящих (пробельных) участков. Травление выполняют хими­ческим или электрохимическим способом. Для химического про­цесса разработаны и используются в промышленности многочис­ленные составы на основе хлорного железа, персульфата аммония, хлорной меди, хромовой кислоты, перекиси водорода, хлорита натрия и др. Выбор травильного раствора определяется следующи­ми факторами: типом применяемого резиста, скоро­стью травления, величиной бокового подтравливания, сложностью оборудования, возможностью регенерации и экономичностью всех стадий процесса.

Скорость травления меди зависит от состава травителя, кон­центрации в нем окислителя и условий его доставки в зону обра­ботки, температуры раствора и количества меди, перешедшей в раствор. Ее максимальное значение достигается при поддержании в заданных пределах режима обработки и постоянной регенерации травителя. Скорость травления оказывает существенное влияние на качество формируемых элементов ПП. При малых скоростях время пребывания платы в травителе увеличивается, что приво­дит к ухудшению диэлектрических свойств оснований и увеличе­нию бокового подтравливания. Оно возникает вследствие того, что травитель воздействует не только на медную поверхность, подле­жащую удалению, но и на боковые, не защищенные резистом, стороны проводников и других элементов схемы. В результате это­го искажается прямоугольный профиль печатных проводников, уменьшается их токонесущая способность и прочность сцепления с диэлектриком. Величина бокового подтравливания оценивается фактором травления К = S/a, который представляет со­бой отношение толщины фольги S к величине изменения ширины печатного проводника а. Уменьшают фактор травления введением в используемые растворы специальных добавок: ионы металлов с более низким потенциалом, чем у меди, например Ag, Hg, Pt, Pd, Au, оказывают каталитическое действие на процесс, а органи­ческие соединения (мочевина, аминотриазол, амиды и др.), адсорбируясь на боковых поверхностях, ингибируют их растворение. Технологический процесс травления состоит из операций предва­рительной очистки меди, повышающей равномерность ее удале­ния, непосредственно удаления меди с пробельных участков пла­ты, очистки поверхности диэлектрика, осветления при необходимо­сти поверхности металлорезиста и сушки.

Наибольшее распространение в технологии производства ПП получили травильные растворы на основе хлорного железа (плот­ность 1,36 - 1,42 г/см³). Они отличаются высокой и равномерной скоростью травления, малой величиной бокового подтравливания, высокой четкостью получаемых контуров, незначительным содер­жанием токсичных веществ, экономичностью. Суммарная реак­ция, протекающая в растворе, описывается уравнением

2FeCl₃ + Cu → CuCl₂ + 2FeCl₂.

Скорость процесса в свежеприготовленном растворе составляет 40 мкм/мин, но по мере накопления в нем ионов меди постепенно снижается и при 100 г/л составляет 5 - 6 мкм/мин. Повышение температуры и рН травителя относительно оптимальных значений приводит к образованию илистого осадка (смесь фильтрующейся меди и оксида железа), который адсорбируется поверхностью диэлектрика, с трудом удаляется при промывке и ухудшает изоляционные свойства подложки. Травитель не приго­ден для получения плат, покрытых металлорезистами на основе олова. В этом случае рекомендуется применять раствор персульфата аммония. Он на 30 - 40% дешевле хлорного железа, быстро при­готавливается на рабочем месте, прозрачен и невязок, не образу­ет шлама при травлении, легко поддается регенерации. Процесс растворения протекает по следующему уравнению:

Cu + (NH₄)₂S₂O₈ → CuSO₄ + (NH₄)₂SO₄.

Реакция сопровождается выделением тепла, что вызывает необхо­димость стабилизации температурного режима. Травление приво­дит к большому боковому подтравливанию медных проводников, сопровождается зубчатостью краев из-за различия скоростей хи­мических реакций по зернам металла и по границам зерен, а рас­твор склонен к саморазложению.

Стабильными параметрами травления характеризуются рас­творы на основе хлорной меди. Разработанные кислые и щелочные составы несколько уступают по скорости растворам хлорного же­леза но намного их дешевле. В них не образуется шлам, ПП легко отмываются после обработки, а боковое подтравливание не пре­вышает 3 - 6 мкм. Растворение меди протекает в соответствии с реакцией

Cu + CuCl₂ → 2CuCl₂.

Отсутствие в растворе посторонних, способных восстанавливаться катионов позволяет проводить полную регенерацию в непрерывном замкнутом цикле. Повышение производительности процесса достигается использованием раствора на основе двух окислителей - хлорной меди и хлорного железа.

Травление меди в растворе перекиси водорода проводится в кислой среде с добавлением серной или соляной кислоты. Используемые травители совместимы практически со всеми типами резистов. В сернокислом растворе протекают сле­дующие реакции:

Cu + H₂О₂ → CuO + H₂O;

CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O.

Получаемая CuSO₄ является химически чистым веществом, легко извлекается и используется для технических целей. При накоплении 60 - 80 кг/м³ меди раствор истощается и скорость травления резко падает.

Полезную емкость по меди до 130 кг/м³ имеют соляно-кислые растворы. В них травящей способностью обладают не только ис­ходные компоненты, но и продукты реакции:

Cu + H₂O₂ → CuO +H₂O;

CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O;

Cu + CuCl₂ → 2CuCl;

2CuCl + H₂O₂ + 2HCl → 2CuCl₂ + 2H₂O.

Процесс травления сопровождается точным поддержанием со­става ванны и разложением перекиси водорода.

Травильные растворы на основе хромовой кислоты используют для ПП, проводящий рисунок которых защищен Au, Sn—Ni, Sn—Pb. Окисление меди описывается суммарной реакцией

3Cu + 2CrO₄^2- + 16H⁺→ 2Cr⁺³ + 3Cu⁺² + 8H₂O.

По сравнению с описанными выше хромово-кислый травитель имеет низкую скорость растворения меди, малую полезную ем­кость (35 кг/м³), высокую стоимость и токсичность, трудно регене­рируемый. Его применение ограничивается макетными работами.

Щелочные растворы на основе хлоритов характеризуются вы­сокой скоростью травления и допустимым содержанием меди в растворе, отсутствием осадка в ванне и на платах, незначитель­ным изменением цвета защитного Sn—Pb покрытия. Однако про­цесс неустойчив и сопровождается самопроизвольным разложени­ем исходных веществ. Окислитель не поддается регенерации.

Химическое удаление меди проводится погружением ПП в тра­витель, наплескиванием раствора на их поверхность или разбрыз­гиванием через форсунки. Давление раствора в фор­сунках колеблется в пределах 0,1 - 0,5 МПа, а струя подается перпендикулярно поверхности платы или при небольшом отклоне­нии от перпендикуляра. Постоянное обновление окислителя в зоне обработки и удаление продуктов реакции обеспечивают высокую производительность струйному травлению, а траектория струи — незначительное боковое подтравливание.

Электрохимическое травление ПП основано на анодном раство­рении меди с последующим восстановлением ионов стравленного металла на катоде. Такой процесс по сравнению с химическим травлением обладает рядом преимуществ: упрощением состава электролита, методики его приготовления, регенерации и очистки сточных вод, высокой и стабильной скоростью травления в течение дли­тельного периода времени, экономич­ностью, легкостью управления и авто­матизацией всех стадий.

Широкое применение электрохи­мического травления сдерживается неравномерностью удаления металла по плоскости платы, что приводит к образованию невытравленных островков и прекра­щению процесса. Индивидуальный токопровод, медленное погружение платы в электролит, совмещение электролитического про­цесса с последующим химическим не обеспечивают его эффектив­ность. Полностью реализовать преимущества электрохимического метода позволяют подвижные носители заряда, которые представ­ляют собой частицы графита, расположенные в суспензированном электролите. Эти частицы принимают заряд с анода и переносят его на поверхность меди, переводя последнюю в ионную форму. Электролит со­держит серную кислоту (50 - 100 г/л) с добавкой CuSO₄ (до 10%) и взвешенный активированный уголь (массовое содержание 15 - 30%) с размером частиц 10 - 50 мкм. Использование электро­химического травления сводит к минимуму боковое подтравлива­ние токопроводящих дорожек и обеспечивает разрешающую спо­собность, равную 70 - 100 мкм, но стоимость технологического оборудования превышает стоимость машин для химического трав­ления.

После удаления меди с пробельных участков ПП промывают оборотной (используемой для разбавления растворов в модулях травления), а затем холодной проточной водой. Если на поверх­ности металлических резистов (особенно Sn—Pb) в результате химического взаимодействия с травителем образуются нераство­римые соединения, вызывающие потемнение и ухудшение их паяемости, то их осветляют при температуре 18 - 25°С в течение 3 - 5 мин. Растворы осветления готовят на основе кислот и тиомочевины, например (г/л): соляная кислота — 50 – 60; тиомочевина — 90 – 100; этиловый спирт — 5 – 6; моющее средство «Прог­ресс» или другое поверхностно-активное вещество —1 - 10.