Металлизация

Основные цели металлизации в производстве ПП:

- получение на стенках монтажных и переходных отверстий токопроводящего покрытия, электрически соединяющего отдельные слои;

- получение всего токопроводящего рисунка ПП (в аддитивных процессах);

- осаждение на токопроводящий рисунок слоя металла или сплава, защищающего медь от последующего травления и от коррозии при эксплуатации печатного узла, а также создающего условия для пайки при монтаже навесных компонентов;

- нанесение покрытия на концевые печатные контакты (ламели).

Металлизация в производстве ПП чаще всего выполняется химическим (обычно меднение) и гальваническим методами.

Химическое меднение (ХМ) в производстве ПП применяется главным образом для получения на стенках отверстий токопроводящего подслоя (толщиной 0,5...1,5 мкм). В дальнейшем на этот подслой осаждается гальваническая медь до требуемой КД толщины (обычно не менее 25 мкм).

При изготовлении ПП аддитивным методом проводящий рисунок на обеих сторонах платы и в отверстиях получают только химическим меднением, осаждая довольно толстый слой металла.

ХМ представляет собой достаточно сложный процесс, основой которого является реакция восстановления меди из растворов ее солей. Реакция протекает в присутствии катализатора (обычно металлического палладия) и относится к категории автокаталитических, т.е. начинается она под действием катализатора, а затем образовавшиеся кристаллы меди сами катализируют дальнейшее выделение меди и процесс происходит уже самопроизвольно. Стандартный процесс ХМ состоит из следующих операций: подготовка поверхности отверстий, сенсибилизация и активация, химическое осаждение меди. Кроме того, все операции сопровождаются многочисленными промывками в проточной воде, а также в ваннах со сборниками палладия (после активации).

Сенсибилизация и активация проводятся с целью осаждения на диэлектрическую поверхность металлических частиц палладия, являющегося катализатором при последующем химическом осаждении меди. Сенсибилизация и активация выполняются путем раздельно-последовательной обработки в растворах двухлористого олова и хлористого палладия или одновременно в совмещенном растворе этих солей.

В

Рис. 4.20. Схема химической металлизации: а – катализация поверхности палладием; б – восстановление меди на центрах катализации

состав раствора для ХМ входят: соли меди (являются источником Cu²⁺), комплексообразователь (предотвращает выпадение гидроокиси в растворе), восстановитель (обычно формалин – раствор формальдегида), различные добавки. Восстановление меди (захват ионом электрона от молекулы формальдегида) происходит на активной (содержащей катализатор) поверхности (рис. 4.20).

Процесс ХМ позволяет получать равномерные по толщине покрытия, не требует затрат внешней энергии (используется химическая энергия). Но в отличие от медной фольги, полученной гальваническим способом и имеющей кристаллическую структуру с плотной упаковкой атомов, химически осажденная медь образует более рыхлое (сосоящее из отдельных частиц) и относительно слабо сцепленное с поверхностью покрытие. Это покрытие, по сравнению с фольгой, имеет худшие электрические (электропроводность) и механические (пластичность) характеристики. Кроме того, скорость химического осаждения меди (1...2 мкм/час) в десятки раз меньше скорости гальванического меднения. Поэтому, после получения сплошного слоя химически осажденной меди его усиливают гальванически. При этом отдельные частицы осадка обволакиваются и соединяются гальванически восстановленной медью, образуя достаточно плотное покрытие, близкое по характеристикам к фольге. Химическое меднение ПП производят в специальных оснащенных автооператорами (рис. 4.21) линиях с набором ванн, в которых проводятся все операции, начиная с подготовки поверхности.

В

Рис. 4.20. Фрагмент автоматизированной линии металлизации с автооператором

анны оборудуются устройствами фильтрации и дозирования (для поддержания концентрации расходуемых компонентов – ионов меди, формалина и т.д.), системами поддержания заданной температуры и приводом качания плат, размещаемых в групповых подвесках. Качание ускоряет реакцию химического меднения (улучшает омывание более свежим раствором поверхностей, особенно отверстий малого диаметра) и способствует удалению выделяющегося при реакции водорода. Водород отрицательно влияет на качество металлизации (закупоривает отверстия малого диаметра, а также поглощается палладием, в результате чего, осажденная на этих участках медь имеет высокое и нестабильное электрическое сопротивление и низкую прочность сцепления).

В последнее время стандартный процесс химического меднения ПП все больше заменяется процессом прямой металлизации. Идея прямой металлизации заключается в создании на поверхности диэлектрика сплошной проводящей пленки (например, из соединений палладия или графита), на которую в дальнейшем осаждается гальваническая медь. Таким образом, процесс ХМ исключается полностью. По мнению специалистов прямая металлизация обладает рядом важных преимуществ, таких как:

- облегчается решение проблем, связанных с очисткой сточных вод;

- упрощается технологический процесс металлизации;

- повышается качество и надежность металлизированных отверстий;

- расширяются возможности металлизации различных типов диэлектриков и т.д.

Гальваническая металлизация (ГМ) в производстве ПП обычно включает в себя следующие процессы: предварительное и основное меднение, осаждение сплава олово-свинец, осаждение благородных металлов. В основе ГМ лежит процесс восстановления положительных ионов металла из электролита на токопроводящей поверхности , к которой подведен отрицательный потенциал относительно другого электрода – анода, изготовляемого обычно из осаждаемого металла (или сплава) и являющегося поставщиком его ионов в электролит. В качестве последних в производстве ПП применяют водные растворы солей осаждаемых металлов.

ГМ является управляемым процессом (в том числе автоматизированными методами), обеспечивает довольно высокую скорость осаждения пленок (до 100 и более мкм в час), Основным недостатком ГМ является не всегда достаточно равномерная толщина покрытия. Особенно это касается сложных поверхностей, к которым относятся металлизированные поверхности ПП (токопроводящий рисунок и стенки отверстий). Например, толщина гальванически осажденного металла в отверстиях ПП, как правило, меньше, чем на ее поверхности, а в центре заготовки она меньше, чем по краям. Это объясняется неравномерной концентрацией линий тока у поверхности катода. Поэтому, чтобы обеспечить минимальную толщину меди в отверстиях, находящихся в центре ПП (обычно это 25 мкм), приходится осаждать лишнюю медь в другие отверстия и на поверхность ПП, что приводит к нежелательному “разрастанию” проводников и контактных площадок (рис. 4.22).

Н

Рис. 4.22. Изменение размеров печатных элементов при ГМ : а – толщина ФР 10 мкм; б – толщина ФР 40 мкм; 1- линии тока; 2 – гальваническая медь; 3 – КМ; 4 – фольгированный диэлектрик

а гальваническую медь осаждают сплав олово-свинец (толщиной 8-20 мкм), который защитит ее при последующем травлении и обеспечит паяемость при сборке. Чаще всего применяют эвтектический сплав ПОС61 (61%Sn-39%Pb).

Некоторые конструкции ПП предусматривают наличие концевых печатных контактов (ламелей). Для обеспечения хорошего электрического соединения между пружинами колодки и печатными контактами последние необходимо покрыть металлами, обладающими малым переходным сопротивлением, хорошей износоустойчивостью и отсутствием каких либо пленок, ухудшающих контактные свойства. В наибольшей степени перечисленным требованиям удовлетворяет покрытие из золота (толщина 2-3 мкм). Также применяются покрытия из палладия, родия, серебра и никеля.

Рис. 4. 23. Схема гальванической металлизации ПП: 1 – шина; 2 – ванна; 3 – аноды; 4 - ПП

Основным оборудованием, применяемым при электролитической металлизации, является гальваническая ванна, оснащенная механизмом качания катодной штанги (рис. 4.23).

В промышленных условиях химическую и гальваническую металлизацию ПП (в том числе осаждение сплава олово-свинец) выполняют на линиях, содержащих до 3-4 десятков ванн, смонтированных в общем каркасе длиной до 20-30 м. Линии обслуживаются одним или несколькими автооператорами с микропроцессорным управлением.