75. Металлизация диэлектриков

Металлизация диэлектриков основывается на процессах химического и электрохимического меднения. Выбор меди в качестве проводящего покрытия объясняется ее пластичностью, высокой электропроводностью, хорошей паяемостью, низким уровнем внутренних напряжений и приемлемой стоимостью. В медном покрытии уровень внутренних напряжений намного меньше, чем в покрытиях из других металлов. Например, внутренние напряжения в медном покрытии могут быть ниже почти в 50 раз их значения в покрытиях из хрома и никеля.

Химическое меднение применяют для создания проводящего подслоя толщиной примерно 1 мкм перед электрохимической металлизацией и основного слоя толщиной 25-30 мкм при изготовлении ПП по аддитивной технологии. Достоинство химического меднения – высокая равномерность покрытия, а недостатками являются слабое сцепление меди с подложкой и трудность получения качественных толстослойных покрытий.

Растворы для химического меднения отличаются многообразием содержащихся в них компонентов. Во всех случаях в состав раствора обязательно должны входить следующие вещества: соли меди, вещества для связывания меди в комплексную соль, вещество-восстановитель (формальдегид), вещество, обуславливающее необходимую величину pH раствора и различные добавки, способствующие повышению качества покрытия.

Сернокислая медь является источником катионов Cu²⁺, которые, восстанавливаясь до металлического состояния, образуют покрытие. Для повышения прочности сцепления меди с диэлектриком в состав раствора вводят ионы никеля в виде NiCl_2. Интенсивность восстановления меди зависит от окислительно-восстановительного потенциала формальдегида, величина которого определяется значением pH раствора (табл. 2.11).

Таблица 2.11

Потенциал, В	+0,62	+0,71	+0,8	+0,89	+0,98	+1,07
pH	9	10	11	12	13	14

С увеличением pH скорость восстановления меди увеличивается, однако растворы с pH, равным 13 и более очень нестабильны. Поэтому обычно pH поддерживают в пределах от 11,5 до 12,5.

Химическое меднение возможно в присутствии на поверхности диэлектрика катализатора, которым может быть один из благородных металлов, чаще всего палладий. Для придания диэлектрику способности к металлизации в начале проводят операции сенсибилизации и активации, а затем химическое меднение.

Сенсибилизация - это операция создания на поверхности диэлектрика пленки из ионов двухвалентного олова, которые в последствии восстанавливают ионы палладия. Для этого диэлектрик обрабатывают в растворах содержащих SnCl₂ от 5 до 10 г/л и HCl от 20 до 40 г/л (остальное дистиллированная вода) непродолжительное время (от 5до 7 мин.) и промывают в холодной воде. При этом происходит гидролиз SnCl₂ по следующей схеме:

SnCl₂ + H₂O → Sn(OH)Cl + HCl;

Sn(OH)Cl + H₂O → Sn(OH)₂ + HCl.

В результате операции сенсибилизации поверхность диэлектрика равномерно покрывается гидроокисью двухвалентного олова.

Операцию активации проводят в растворах, содержащих соль палладия. Например, наиболее широко используются растворы состава PdCl₂ от 0,5 до 4 г/л, HCl от 10 до 20 мл/л (остальное - дистиллированная вода). Время отработки от 5 до 7 мин. На поверхности фольгированного диэлектрика с просверленными отверстиями протекают две реакции:

- на диэлектрике Sn²⁺ + Pd²⁺ → Pd + Sn⁴⁺,

- на поверхности фольги Cu + Pd²⁺ → Pd + Cu²⁺.

Выделение палладия на медной фольге является нежелательным по следующей причине. Палладий захватывает водород, выделяющийся во время химического меднения диэлектрика, вследствие чего образуются гидриды палладия, которые приводят к тому, что пленка палладия становится рыхлой. Это обуславливает повышение переходного электросопротивления между химически осажденной медью и торцами медной фольги. Поглощение водорода палладием вызывает также понижение прочности сцепления меди с диэлектриком.

С целью исключения химического меднения разработана технология прямой электрохимической металлизации. Ее особенность заключается в том, что проводимость поверхности диэлектрика достигается нанесением тонкодисперсного палладия; образующаяся таким образом пленка палладия обеспечивает качественное меднение.

Рассмотрим основные положения электрохимического меднения и получения покрытия Sn-Pb, используемого в качестве металлорезиста при травлении медной фольги.

Чтобы ПП обладали высокой надежностью, должны удовлетворяться следующие основные требования к покрытиям:

- равномерность металлизации по поверхности заготовок ПП и в отверстиях;

- мелкозернистая структура покрытия;

- минимальная пористость покрытия.

Необходимость осаждения равномерных покрытий объясняется двумя причинами. Во-первых, при равномерной металлизации исключаются непокрытые участки, которые являются потенциальным источником понижения надежности проводящей структуры. Во-вторых, неравномерность металлизации приводит к неоднородности распределения внутренних напряжений в покрытии. Внутренние напряжения в значительной степени зависят от толщины покрытия; с увеличением его толщины величина внутренних напряжений возрастает.

Абсолютно беспористых покрытий не существует. Практически стремятся минимизировать пористость покрытий, поскольку с ней тесно связаны электропроводность, коррозионная стойкость проводящих слоев ПП и прочность их сцепления с диэлектриками. К числу главных факторов, влияющих на пористость покрытий, относятся:

- качество подготовки поверхности заготовки ПП и степень однородности и бездефектности проводящего покрытия, создаваемого перед электрохимической металлизацией;

- состав электролита и режимы осаждения покрытия;

- интенсивность обмена электролита на поверхности заготовки ПП и в отверстиях.

Меднение заготовок ПП можно проводить различными электролитами. Более пластичные, равномерные и с меньшей пористостью осадки получаются в сернокислых электролитах. Для повышения рассеивающей способности в электролиты добавляют блескообразующие и выравнивающие добавки ЛТИ, Меданит и др.

Пористость покрытия уменьшается при импульсном токе. Импульсный режим способствует также измельчению структуры покрытия (кристалл растет во время импульса тока и пассивируется во время паузы).

Для осаждения сплава Sn-Pb используют борфтористоводородные электролиты состава (г/л): фтороборат олова от 13 до 18, фтороборат свинца от 7 до 9, борфтористоводородная кислота от 250 до 280, борная кислота от 20 до 30, пентон от 4 до 6, гидрохинон от 0,8 до 1. Аноды изготавливают из Sn-Pb эвтектического состава (61% олова и 30% свинца). Скорость осаждения при комнатной температуре и плотности тока 2 А/дм² составляет 1 мкм/мин. Содержание олова в осадке возрастает при понижении плотности тока, увеличении количества вводимых добавок и снижении температуры электролита.

Процессы химической и электрохимической металлизации осуществляются на установках и линиях, предназначенных для различных типов производств.