KTP3_ / GLAVA10C

187

10.5. Технология металлизации печатных плат

Формирование токопроводящих элементов ПП осуществляется двумя основными методами: химическим и электрохимическим. Химическая металлизация используется в качестве основного слоя при изготовлении плат аддитивным методом или как под­слой перед гальваническим осаждением в комбинированных ме­тодах.

Процесс химической металлизации основан на окислительно-восстановительной реакции ионов металла из его комплексной соли в определенной среде, при которой необходимые для восста­новления катионов металла электроны получают в результате окисления специальных веществ, называемых восстановителями. На диэлектрике реакция восстановления протекает при наличии на его поверхности каталитически активного слоя. Для придания диэлектрику способности к металлизации производят операции сенсибилизации и активирования.

Сенсибилизация—это процесс создания на поверхности ди­электрика пленки ионов двухвалентного олова, которые впослед­ствии обеспечат восстановление ионов активатора металлизации. Платы обрабатывают в растворе двуххлористого олова и соляной кислоты (SnС1₂—5 ... 10 г/л, НС1—20 ... 40 г/л, остальное— дистиллированная вода) в течение 5 ... 7 мин и промывают в хо­лодной воде. При этом происходит гидролиз хлористого олова по реакции

SnС1₂+Н₂0 ® Sn(ОН)С1+НС1 (10.1)

Sn(ОН)С1+Н₂0 ® Sn(ОН)₂+НС1.

Активирование заключается в том, что на поверхности, сенси­билизированной двухвалентным оловом, происходит реакция вос­становления ионов каталитического металла. Обработку прово­дят в растворах благородных металлов, преимущественно палла­дия (РdСl₂—0,5 ... 4 г/л, НС1—10 ... 20 мл/л. остальное— дистиллированная вода) в течение 5 ... 7 мин. На плате происхо­дят следующие реакции:

на диэлектрике

Sn ²⁺ +Рd®Рd+Sn⁴⁺ (10.2)

на поверхности фольги

Сu+Рd²⁺ ® Рd+Сu²⁺ (10.3)

Контактное выделение палладия на меди приводит к образова­нию барьерного слоя из рыхлой и непрочной пленки гидридов палладия, которая снижает адгезионные свойства химически осаж­денной меди и увеличивает переходное сопротивление. Для улуч­шения качества металлизации используют совмещенный раствор, в котором контактное выделение палладия существенно умень­шается. Совмещенный раствор имеет следующий состав (г/л): РdCl₂ — 0,8 ... 1, SnС1₂^.2Н₂0—40... 70, КС1—140 ... 150, НС1— 150 ... 200.

После активирования и промывки платы поступают на хими­ческое меднение, которое проводится в одном из растворов, при­веденных в табл. 10.8.

Разбавленные растворы (1) характеризуются более высокой стабильностью, чем концентрированные (2 и 3), но в них выделе­ние меди происходит с низкой скоростью. Для облегчения удале­ния водорода, выделяющегося в процессе меднения, в растворы вводят поверхностно-активные вещества (моющее средство “Про­гресс”), а процесс ведется с плавным покачиванием плат (8 ... ... 10 колеб./мин при амплитуде 50 ... 100 мм).

Как видно, основными проблемами химической металлизации являются низкая производительность, сложность процесса, ис­пользование дорогостоящих материалов. Для устранения указан­ных недостатков разрабатываются методы беспалладиевой метал­лизации, например термохимический. Процесс проводится в раст­воре (г/л): кальций фосфорноватистокислый—130 ... 170, медь сернокислая пятиводная — 200.. .250, гипофосфат аммония — 6 ... 10, аммиак (25%)—200 ... 300 мл/л. После обработки пла­ты выдерживаются в термошкафу при 100 ... 150°С в течение 8 ... 10 мин. В результате термического разложения комплексной соли гипофосфита меди на поверхности ПП и в монтажных от­верстиях образуется электропроводящее покрытие, которое слу­жит основой для электрохимического наращивания металла.

Таблица 10.8

Состав растворов, г/л, и режимы химического меднения

Компоненты и технологические	Варианты ванны
характеристики	1	2	3
Медь сернокислая СuS04x 5Н20	10...15	25...35	25...35
Сегнетова соль Х2Н,0 Х2Н,0КNаС4Н406 Х	50...60	150...170	—
Трилон Б	—	—	80...90
Гидрооксид натрия NаОН	10...15	40...50	30...40
Натрий углекислый Nа2СОз	2...3	25...35	20...30
мл/л	15...20	20...25	20...25
Тиосульфат натрия Nа2S20з	0,001...0,0001	0,002...0,003	—
Никель хлористый NiС12-12Н2О	2...3	2...3	—
Роданин	—	—	0,003...0,005
Моющее средство “Прогресс”	—	0,5...1	—
Калий железосинеродистый	—	—	0,1...0,15
Скорость осаждения, мкм/ч	0,8...1	2...4	1...4
Температура, °С	20...40	20...40	20...50
РН	11,5...12,5	11,5...12,5	11...12,5

Гальваническая металлизация при производстве ПП приме­няется для усиления слоя химической меди, нанесения металли­ческого резиста, например олово—свинец толщиной 8 ... 20 мкм с целью предохранения проводящего рисунка при травлении плат, защиты его от коррозии и обеспечения хорошей паяемости; соз­дания на части проводящего рисунка (например, на концевых печатных контактах) специальных покрытий (палладий, золото, родий и т. п.) толщиной 2.. .5 мкм. Заготовки плат, закрепленные на специальных подвесках-токоподводах, помещают в гальвани­ческую ванну с электролитом между анодами, выполненными из металла покрытия. Режим электрохимической металлизации вы­бирают таким образом, чтобы при высокой производительности были обеспечены равномерность толщины покрытия и его адгезия. Равномерность толщины осажденных слоев зависит от :

- габаритных размеров металлизируемых плат (с их увеличе­нием равномерность покрытий снижается, что может быть частич­но скомпенсировано увеличением расстояния между анодами, а также подбором их положения в пределах гальванической ван­ны);

- диаметров металлизируемых отверстий (отношение диа­метров к толщине платы должно быть не менее 1/3);

- располо­жения плат в ванне (для улучшения равномерности платы раз­мещают симметрично и параллельно анодам, площадь которых должна в 2—3 раза превышать площадь металлизции при рас­стоянии между электродами не менее 150 мм); - рассеивающей способности электролитов; оптимальной плотности тока (при низких значениях уменьшается толщина покрытия в центре пла­ты, при высоких происходит утолщение покрытия на углах и кромках платы);

- наличия специальных экранов между электродами.

Адгезия гальванического покрытия зависит от качества подго­товки поверхности под металлизацию, длительности перерыва между подготовкой поверхности и нанесением покрытия, от со­блюдения режимов процесса.

Для меднения ПП применяют различные электролиты. Отрас­левые стандарты рекомендуют для предварительной металлиза­ции борфтористоводородный электролит следующего состава (г/л): Сu(ВF₄)₂ - 230 ... 250, НВF₄ - 5 ... 15, НзВОз - 15 ... 40. Процесс ведут при температуре 20±5°С, плотности тока 3 ... ... 4 А/дм², скорости осаждения 25 ... 30 мкм/ч.

Более пластичные и равномерные осадки получаются в серно­кислых электролитах. Для улучшения рассеивающей способности в электролит добавляются блескообразующие и выравнивающие добавки, а процесс ведут непрерывной подачей свежего раствора меднения непосредственно в сквозные отверстия. Сернокислый электролит с блёскообразующей добавкой имеет состав (г/л): СuS0₄ - 5Н₂0—100 ... 200, Н₂S0₄—150 ... 180, NаС1—0,03 ... ... 0,06, комплексная добавка — 1 ... 3 мл/л.

Электролитический сплав олово-—свинец должен иметь состав, приближающийся к эвтектическому, что обеспечит последующее оплавление при минимальной температуре и хорошую паяемость ПП. Это достигается выбором оптимального режима осаждения и строгим его поддержанием. Содержание олова в осадке возрас­тает при понижении плотности тока, увеличении количества вво­димых добавок, снижении температуры электролита, увеличении олова в электролите и сильном его перемешивании. При осажде­нии сплава олово—свинец из борфтористоводородного электро­лита (г/л): Sn²⁺ —13...15, Рb²⁺ — 8...10, НВF₄ — 250.. .300, НзВОз—20 ... 30, пептон—3 ... 5, гидрохинон—0,8 ... 1, аноды, изготавливают из сплава, содержащего 61% свинца и 39% олова. Процесс ведут при комнатной температуре, плотности тока 1 ... 2 А/дм² и скорости осаждения 1 мкм/мин.

Повышение объемов производства и требований к качеству ПП, усложнение аппаратуры и ее микроминиатюризация требуют развития перспективных методов электрохимической металлиза­ции и производительного технологического оборудования. Одним из эффективных путей улучшения качества покрытий является использование нестационарных режимов электролиза. Осаждение металла в этом случае проводится под действием периодических токов—импульсного, реверсивного, произвольной формы различ­ной частоты и скважности. Под действием реверсивного тока про­исходит сглаживание микрорельефа покрытия, повышается его равномерность по поверхности платы и в монтажных отверстиях. Это объясняется тем, что во время прямого импульса происходит осаждение металла, а во время обратного—преимущественное растворение выступающих участков. Одновременно снижаются внутренние напряжения в покрытиях, повышается их пластич­ность. Увеличение концентрации ионов осаждаемого металла в прикатодном слое позволяет увеличить скорость осаждения.

При импульсном токе измельчается структура покрытия (кри­сталл растет во время импульса тока и пассивируется во время паузы), уменьшается пористость, повышается электропроводность покрытия вследствие совершенства структуры и уменьшения включаемых в осадок примесей. Однако наибольшей эффектив­ностью обладает оборудование, обеспечивающее программное ведение процесса, так как оно позволяет оптимизировать процесс как по комплексу физико-механических свойств, так и по произ­водительности труда.

Химическая и электрохимическая металлизация проводится на на автооператорных линиях (АГ-44) с набором ванн необходи­мого размера. Управляет такими линиями мини-ЭВМ, которая анализирует результаты контроля параметров ТП и с помощью исполнительных механизмов производит их корректировку. Это позволяет перейти к более высокой степени автоматизированного производства—к гибким производственным системам (ГПС). Применение специальных роботов и манипуляторов позволит автоматизировать трудоемкие процессы монтажа и демон­тажа подвесок, загрузки и разгрузки барабанов, в которых про­исходит осаждение покрытий.

10.6. Формирование рисунка печатных плат

Нанесение рисунка схемы на ПП необходимо для получения защитной маски требуемой конфигурации при осуществлении процессов металлизации и травления. Наиболее распространены в промышленности сеткографический (офсетной печати) и фото­химический методы.

Сеткографический метод получения рисунка ПП основан на применении специальных кислотостойких быстросохнущих кра­сок, которые после продавливания через трафарет закрепляются на поверхности заготовки в результате испарения растворителя.

Основными видами специальных трафаретных красок являют­ся следующие: СТ3.12—защитные щелочесмываемые; СТЗ.12.51— защитные щелочесмываемые, быстросохнущие; СТ3.13—защитные гальваностойкие, смываемые органическим растворителем (хло­ристым метиленом).

Для получения маркированных знаков используются краски серии ТНП (трафаретные невпитывающиеся пентафталевые) и СТ3.19.

Качество наносимого защитного слоя в значительной степени определяется вязкостью используемых трафаретных красок. Ее оптимальная величина устанавливается исходя из температуры, номера сетки, характера изображения, наличия орошения формы и др. При оптимальном значении вязкости краска не должна самопроизвольно растекаться ни по печатной форме, ни по заго­товке, но легко и равномерно должна растекаться под воздей­ствием ракеля и продавливаться сквозь отверстия печатающих элементов формы.

Ракель обычно изготавливают из листовой маслобензостойкой резины или полиуретана толщиной около 8 мм и высотой не ме­нее 25 мм. Тщательно отполированная поверхность ракеля обес­печивает высокое качество.

Заготовка в станках трафаретной печати устанавливается с технологическим зазором 2 ... 3 мм. Увеличение зазора приво­дит к повышению четкости рисунка, но одновременно повышается износ сетки. Постепенный отрыв сетки от заготовки в процессе нанесения рисунка уменьшает и его искажение, и износ сетки.

Нанесение защитной краски через сетчатый трафарет осуще­ствляется вручную или автоматическим оборудованием, которое включает загрузочное устройство, машину для рихтовки плат, сеткографический станок, сушильную печь, накопитель готовых изделий.

Загрузка ПП в станок происходит посредством ленточного конвейера подъемно-спускающего типа. Подведенная им заготов­ка фиксируется в рабочей зоне на штифтах с точностью ±25 мкм и закрепляется при помощи вакуумной системы. Синхронно крас-кодозирующим устройством краска подается в зону обработки, а ракель автоматически продавливает ее через ячейки трафарета. В системе управления ракелем^ регулируется угол наклона, ско­рость движения, давление и диапазон хода. Время, затрачиваемое на один цикл печатания, составляет 5 ... 7 с. Смена трафарета и настройка станка на новый тип плат производится по контроль­ному шаблону. Для этого печатный стол перемещается с точ­ностью ±0,05 мм по двум координатам с помощью микрометри­ческих винтов и поворачивается вокруг вертикальной оси на угол 7 ... 10°. Время смены и настройка не превышают 15 мин.

Разработаны модели станков для одновременного нанесения рисунка на две стороны заготовки. В них ПП устанавливается вертикально. Основные характеристики отечественного и зару­бежного технологического оборудования для сеткографии приве­дены в табл. 10.9.

Закрепление краски на заготовке осуществляется длительной сушкой. Проблема сушки в трафаретной печати решается путем создания быстрозакрепляющихся красок и высокопроизводитель­ного оборудования. Краски с органическими растворителями сушат в туннельных конвейерных печах горячим воздухом при температуре 150 ... 180 °С или под действием ИК-излучения. Появившиеся краски мгновенной сушки, содержащие мономерно-полимерные композиции и фотоинициатор, закрепляются под воздействием ультрафиолетовых лучей. Однако они имеют не­большой срок хранения; в герметичной таре (0,5 ч) и высокую стоимость.

Срок хранения отпечатанных плат в условиях производства составляет 3 ... 5 суток. После этого удаление краски стано­вится затруднительным. Снимают трафаретную краску 3 ... 5 %-ным раствором горячей (40 ... 60°С) щелочи в течение 10 ... 20с. Раствор подается на заготовки устройствами струйного типа. Аналогично промываются сетчатые трафареты после работы.

Фотографический метод предусматривает нанесение на подго­товленную поверхность заготовки ПП специальных светочувстви­тельных материалов—фоторезистов, которые разделяются на негативные и позитивные. Негативные фоторезисты образуют при воздействии света защитные маски вследствие реакции фотополи- меризации, при этом облученные участки остаются на плате, а не­облученные удаляются при проявлении. В позитивных фоторези­стах под действием света происходит фотодеструкция органиче­ских молекул, вследствие чего облученные участки удаляются при проявлении. Фоторезисты могут быть жидкими и сухими (пленоч­ными) .. Жидкие фоторезисты значительно дешевле пленочных, и для работы с ними требуется несложное оборудование. Примене­ние пленочных фоторезистов значительно упрощает ТП (исклю­чаются операции сушки, дубления, ретуширования), он легко поддается автоматизации, обеспечивает равномерное нанесение защитных слоев при наличии монтажных отверстий.

Таблица 10.9

Технологическое оборудование для сеткографии и его характеристика

Модель и страна-изготовитель	Формат печати, им	Производи­тельность. оттисков/ч	Габаритные размеры, мм
Автомат шелкографии ОА-ЭОО,	400Х200	900	1300Х2000Х1200
Шелкографический автомат АШ-2, СССР	380Х220	600	1460Х840Х1100
Полуавтомат трафаретной печати ПТП-3,	400Х330	800	1120Х1025Х1855
СССР
Трафаретная печатная машина ПТ-2, СССР	430Х200	900	1370Х955Х1515
Сеткографический двухсторонний ста­	100Х175	—	1000Х600Х400
нок СДС-1, СССР
Полуавтомат сеткографической печати	500Х750	—	1700Х1850Х1400
ОН-3944-80-00, СССР
Автомат сеткографической печати	500Х500	650	4500Х1600Х1400
ДЛЦМ.3.209.001, СССР
Автоматическая линия сеткографической	620Х650	1000	5000Х1500Х1450
печати, фирма Сuger, ФРГ
Полуавтоматическая машина Веltгоп	500Х700	1000	1850Х1420Х1250
с гидроприводом, фирма Сugег, ФРГ
Полуавтомат Мinimatik, фирма Swecia,	300Х500	1000	1480Х985Х1150
Швеция
Сеткографическая печатная машина Si-	400Х600	1000	2215Х1450Х1150
matic, фирма Swecia, Швеция
Полуавтомат Gidra-2, фирма Агgоn,	510Х760	500	1450Х1450Х1400
Италия

Основные типы фоторезистов, выпускаемых промышлен­ностью, приведены в табл. 10.10. Среди жидких фоторезистов наи­большее распространение получил светочувствительный материал на основе поливинилового спирта (ПВС). Он нетоксичен, непожароопасен, проявляется подогретой до 40°С водой. В состав фото­резиста входят следующие компоненты: поливиниловый спирт— 70 ... 120 г/л, бихромат калия — 3 ... 10% сухой массы ПВС, этиловый спирт—30 ... 50 мл/л, “Некаль”—2 ... 5 г/л, дистил­лированная вода—до 1000 мл. Недостатком фоторезистов на основе ПВС является их темновое дубление, что ограничивает срок хранения приготовленного материала и заготовок с нане­сенным слоем 3 ... 8 ч.

Для повышения химической стойкости фоторезиста применяют химическое дубление в растворе хромо­вого ангидрида или термическое дубление.

Таблица 10.10.

Основные характеристики и технологические особенности фоторезистов

Основа фоторе­зиста, марка	Тип	Разрешаю­щая способ­ность, л/мм	Диапазон максималь­ной спект­ральной чувстви­тельности, нм	Проявитель	Раствор для удаления	Срок хранения
Поливиниловый	Негатив­	40...50	350...420	Вода, 40 °С	Калий гид­роокись,	3...5 ч
спирт ПВС	ный				30...50г/л
Поливинилцин-	Тоже	500	350...410	Трихлорэти-	Хлористый	До 1г.
номат ФН-5ТК				лен—70”/о,	метилен—75%,
				толуол—30%	трихлорэтилен-25%
Синтетический	“	—	265	Хлорбензол	Толуол	До 1 г. в
циклокаучук ФН-П						темноте
Дивэосоедине-	Пози­ тив­	350...400	480	Тринатрий	Ацетон	До 1 г.
ния ФП-383	ный			фосфат. 3...5%
Акриловые по­	Нега­ тив­	—	330...370	Бикарбонат	Калий гидроокись,	До 1 г. в герметич­
лимеры ФПП	ный			Na-20...30г/л	30...50г/л	ной таре
Сухие:
СПФ-2	То же	100...150	,	Метилхло-	Хлористый	6 мес.
				роформ	метилен
СПФ-ВЩ	•	100...150	320...400	Сода кальци­	Калий гид­	6 мес.
				нированная,	роокись,
				10...20г/л	50...100г/л
СПФ-АС-1	•	100...150	320...400	Метилхло-	Хлористый	6 мес.
				роформ	метилен
СПФЗ	“	100...150	350...400	То же	То же	6 мес.
^Ристон" США	“	120...150	350	Трихлорэтан	•	1 г.