Формування малюнка на зовнішніх шарах і металізація отворів

3.1.3. Формування малюнка на зовнішніх шарах і металізація отворів

Металізація наскрізних отворів і формування малюнка зовнішніх верств БТП виконуються за технологією комбінованого позитивного методу, розглянутого вище, тобто спочатку свердлять наскрізні отвори, прив'язуючись до базових (технологічних). Потім слідують операції хімічної та гальванічної металізації (міднення), формування захисної металорезистивної маски і травлення міді.

Слід звернути увагу на особливості металізації наскрізних отворів великої глибини. Якість металізації (міцність щеплення та перехідний електричний опір) буде залежати від площі металізації внутрішніх шарів, що виходять в металізований отвір. Цю площу можна штучно збільшити:

- Або селективним підтравлювання діелектрика ФТС до металізации отворів - найбільш часто застосовуваний варіант;

- Або гальванічним нарощуванням вийшли на стінки отворів внутрішніх провідників до металізації отворів, що можливо тільки за умови технологічного (тимчасового) електричного з'єднання всіх провідників за рахунок відповідної топології слоїв з використанням технологічних полів плати, але при цьому придатність в травному діелектрику відпадає.

3.2.Інші методи виготовлення багатошарових друкованих плат

Метод металізації наскрізних отворів [5, с. 58] забезпечує відоми компроміс в ході задоволення дуже суперечливих вимог, викладених вище, за умови досить високої технологічної культури виробництва. Запас по числу шарів тут "купується" за рахунок вартості МПП і тривалості технологічного циклу її виготовлення. До недоліків цього методу відноситься слабкий зв'язок металізації отворів з торцями контактних майданчиків внутрішніх шарів, а також недостатня щільність монтажу через більшу кількість наскрізних металізованих отворів.

Залежно від характеру вимог до БТП та особливостей конкретного виробництва можуть представляти інтерес альтернативні методи виготовлення БТП, що розглядаються нижче.

3.2.1.Метод попарного пресування

Сутність даного методу полягає в тому, що використовуються дві заготовки з двостороннього фольгованого діелектрика. На одній (внутрішній) зі сторін кожної заготовки негативним комбінованим методом формується струмопровідний малюнок і металізованні отвори - переходи з першого шару на другий і з третього на четвертий. Зв'язок провідників внутрішніх шарів (другого і третього) здійснюється через зовнішні провідні шари (перший і четвертий).

Малюнок БТП на зовнішніх шарах і з'єднання між ними (через металізуючі отвори) виконуються комбінованим позитивним методом. При цьому металізовані отвори, сформувалися при виготовленні заготовок заповнюються епоксидною смолою.

Метод дозволяє знизити вимоги до точності базування під час свердління отворів, знизити вартість і забезпечити доступність за рахунок зниження роздільної здатності та ускладнення процесу конструювання таких плат. Його можна використовувати при виготовленні БТП з прихованими міжшаровими переходами.

3.2.2. Метод пошарового нарощування

Це самий дорогий і трудомісткий з описаних в літературі методів [5, с. 56], при розробці якого основна мета забезпечити максимальну надійність міжшарових з'єднань і внутрішніх провідників. Міжшарові з'єднання в даному методі являють собою стовпчики гальванічно осадженої міді.

Використовуються тонкі нефольговані діелектрики, отвори в яких формують розташування стовпчиків міжшарової металізації. БТП, виготовлені таким методом, що не містять отворів для штирьових виводів електрорадіоелементів.

Для виготовлення HDI-плат перспективною є комбінація методів металізації наскрізних отворів і пошарового нарощування шляхом напресування на двосторонню друковану плату шарів з мікропереходами.

3.2.3.Інші методи

Метод відкритих контактних майданчиків використовує односторонний фольгований діелектрик. Контактні майданчики внутрішніх шарів безпосередньо видно з боку установки електрорадіоелементов (ЕРЕ). Міжшаровий зв'язок здійснюється за допомогою пайки виводів ЕРЕ або дротяних перемичок до відкритих контактних майданчиків. Таким чином виключаються адитивні процеси і забезпечується візуальний контроль всіх міжшарових з'єднань, але щільність монтажу буде невисокою.

Метод виступаючих висновків отримав свою назву за рахунок використування для міжшарових з'єднань смужок мідної фольги, виступаючих з кожного провідного шару через отвори на зовнішній шар металізації або на проміжні шари. Для цього необхідно заготовки з нефольговано діелектрика і товста (до 80 мкм) мідна фольга.

Використання механічних деталей - штифтів або пустотіліх заклепок (пістонів) - для міжшарових з'єднань просто і дуже надійно, але роздільна здатність залишає бажати кращого.

Глава 4.

ХІМІЧНІ І ЕЛЕКТРО ХІМІЧНІ В ТЕХНОЛОГІЇ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ

4.1.Травлення міді: вибір травителя і утилізація відходів

Під травленням розуміють хімічне розчинення міді зазвичай під дією рідких травних розчинів або, рідше, активованих газів (плазмохімічне травлення). Перерахуємо вимоги до роствору для травлення міді:

- Швидкість травлення (вимірюється в мкм / хв);

- Ємність по міді, тобто гранично допустиме збільшення концентрації міді (вимірюється в г / л);

- Селективність травлення, що має значення при використанні металорезиста в позитивних методах;

- Можливість регенерації травильного розчину в процесі травлення;

- Відсутність взаємодії з ізолятором-основою;

- Можливість економічної утилізації без шкоди для навколишнього середовища;

- Мінімальна анізотропія і бічний підтрав;

- Задоволення вимог охорони праці працюючих.

Для підтримки постійної швидкості травлення воно повинно бути струменевим: горизонтальним або вертикальним. В цьому випадку струменя свіжого (оновленого в замкнутому циклі) травителя з постійною швидкістю впливають на мідну фольгу, забезпечуючи стабільність процесу травлення.

Почнемо з водного розчину на основі хлорного заліза F eCl ₃ густиною 1,3 або 400 г / л, вельми популярного серед радіоаматорів. При температурі травлення близько 35 ^◦ C швидкість травлення близько 35 мкм / хв. Це дуже висока швидкість. Ємність з міді також висока: в межах 75 - 105 г / л.

При травленні міді хлорним залізом одночасно мають місце мінімум три типи реакцій:

- Хлорне залізо реагує з міддю з утворенням хлористого заліза і нерозчинної хлористої міді, яка прагне випасти в осадок:

F eCl 3 + Cu - → F eCl 2 + CuCl ↓ ;

(4.1)

- Хлорне залізо реагує з не встигшою випасти в осад хлоридною міддю з утворенням хлористого заліза і добре розчинної хлорної міді:

F eCl 3 + CuCl - → F eCl 2 + CuCl 2 ;

(4.2)

- Хлорна мідь, в свою чергу, вступає в реакцію з міддю з утворенням хлористої міді:

CuCl 2 + Cu - → 2 CuCl ↓ .

(4.3)

На жаль, ми не можемо сказати, яка з реакцій і який відносно внесок вносить в даний момент часу, тобто як і динаміка процесу травлення. На рівні математичних моделей вона технологам поки невідома.

Крім трьох перерахованих у водному розчині вказаних солей йдуть і інші реакції, наприклад, гідролізаця залишків травильного розчину, особливо при промиванні друкованих плат, з утворенням важкорозчинних основних солей заліза, наприклад:

F eCl 3 + H 2 0 - → F e ( OH ) Cl 2 ↓ + HCl.

(4.4)

Фенольні смоли, що входять до складу гетинакса, мають властивість іонообмінних смол адсорбувати іони тривалентного заліза з розчину. В результаті поверхневий опір діелектрику спадає. Крім того, відпрацьований розчин дуже важко піддається регенерації і практично неможлива його автоматична корекція при травленні. Цей травитель не можна використовувати в позитивному методі, так як він розчиняє металорезист на основі олова-свинцю. При використанні хлорного заліза для травлення міді з часом підлоги, стіни і ванни покриваються яскраво-рудим нальотом.

В одному з галузевих стандартів описаний наступний процес утилізації і регенерації травильного розчину:

- В відпрацьований розчин засипається знежирена сталева стружка при температурі 40 - 50 ^◦ C. Внаслідок реакції цементації

Cu 2+ + F e - → Cu + F e 2+

(4.5)

мідь у вигляді пухкого осаду виділяється на частинках заліза;

- Після осадження міді розчин зливається і передається на нейтралізацію, а порошкова мідь змивається струменем води в лляний мішок, а потім зневоднюється і висушується. Осад гідроксиду заліжа (4.4) після нейтралізації вапняним молоком повинен вивозиться для поховання в спеціально відведених для цього місцях, що небажано з точки зору екології.

Аналогічні проблеми виникають з травильними розчинами на основі персульфата амонію ( NH ₄ ) ₂ S ₂ O ₈ і сірчаної кислоти H ₂ SO ₄ з тією лише різницею, що при його при високій швидкості травлення можна використовувати як при позитивних, так і при негативних процесах.

Для травлення можна використовувати розчини на основі сірчаної кислоти H ₂ SO ₄ . Після травлення виходить хімічно чиста сіль Cu ₂ SO ₄ , яку можна використовувати для приготування розчинів хімічного і гальванічного міднення. Це дозволяє підтримувати безвідхідну технологію за рахунок паралельного протікання субтрактивних та адитивних процесів.

На особливу увагу заслуговує використання водного розчину хлорної міді в якості самостійного травителя (4.3). Цей трави-тель значно дешевше (приблизно в 25 разів) хлорного заліза при тій же початковій швидкості травлення. Утворюється при травленні важкорозчинна хлориста мідь може швидко засмітити форсунки травильної машини, проте в присутності іонів хлору (розчини HCl , NH ₄ Cl ,NaCl , KCl ) утворюються добре розчинні комплекси з іонами CuCl ^- . В результаті можлива регенерація травильного розчину на основі хлорного міді за допомогою реакцій

2 CuCl + Cl 2 - → 2 CuCl 2 ,	(4.6)
2 CuCl + H 2 O 2 + 2 HCl - → 2 CuCl 2 + 2 H2 O,	(4.7)

4 CuCl + O 2 + 4 HCl - → 4 CuCl 2 + 2 H 2 O.

(4.8)

Відносно мала ємність по міді (10 - 20 г / л) компенсується можливістю досить простої регенерації (відновлення) травильного розчину. Для цього достатньо злити відпрацьований травильний розчин і додати соляну кислоту до значення водневого показника pH = 1 - 2. Після цього додається перекис водню H ₂ O ₂ . Ці процеси можна автоматизувати, маючи в своєму розпорядженні датчиками, що перетворюють водневий показник pH в електричний сигнал.

Утилізація міді виконується гальванічним шляхом - мідь виділяється під дією електричного струму з розчину на катоді в регенераторі, що утворює з травильної машиною замкнутий контур.

Додатковою перевагою хлорної міді є слективність (вибірковість) травлення, що дозволяє використовувати його в позитивному процесі із захисною маскою олово-свинець. Крім того, травильний розчин хлорного міді добре відмивається з друкованої плати, не залишаючи слідів.

4.2.Хімічна металізація

Найчастіше це хімічне міднення, тобто нанесення міді на поверхнею без застосування електричного струму. Використовується в основних для додання діелектричної поверхні струмопровідних властивостей, що необхідно для подальшого нанесення металу гальванічним способом.

Розглянемо більш докладно процес хімічного міднення. У якості встановлення міді з розчину використовується дешевий і недефіцитний матеріал - формальдегід ( HCOH ). Особливість цього окислювально-відновного процесу полягає в тому, що він ініціалізується каталізатором, в якості якого служить дорогостоючий металевий паладій ( P d ). Витрата паладію досягає 2 г на 100 м ² . Надалі каталізатором осадження є обложена мідь, тобто процес стає автокаталітичним.

Для того щоб мідь не випадала у вигляді гідроксильних опадів, в розчин додають комплексоутворювачі: калій-натрій виннокислий (тартрат калій-натрію), трилон-Б (динатрієва сіль етилендиамінтетраоцтової кислоти), лимонна кислота і ін.

Застосування паладію в якості каталізатора дозволяє осаджувати мідь саме на плату, а не на стінки і дно ванни. Тому перед осадженням міді поверхня плати піддається активації, в результаті якої на діелектрику плати осідають частинки паладія. Цю операцію можна здійснити, попередньо обробивши плату в розчині хлористого олова SnCl ₂ (сенсибілізація). Потім, промивши плату в воді, занурити в розчин хлористого паладію PdCl . В ході хімічної реакції

Sn 2+ + P d 2+ - → Sn 4+ + Pd

(4.9)

на поверхні діелектрика плати осідає металевий паладій. На ділянках плати, покритих мідною фольгою, можлива реакція

Cu + P d 2+ - → Cu 2+ +2 Pd,	(4.10)

яка призводить до швидкого виснаження розчину хлористого паладія. Використання для активування більш складних варіантів розчину, де Pd присутній у вигляді складних комплексів, виключає реакцію (4.10), але при цьому сенсибілізація проводиться не в розчині SnCl ₂ , а в розчині NaH ₂ PO ₂ (гіпофосфіти натрію) .

Відзначимо важливість ретельного проведення операції промивки після реакції (4.9). Якщо промивка недостатня за часом, то шар гідроксиду олова, що обволікає частинки паладію, не буде видалений. Збільшення часу промивки понад оптимального призводить до змивання обох реагуючих компонентів.

Паладій відноситься до дорогоцінних металів, тому його залишки повинні вловлювати для повторного використання. Рекомендується використовувати не менше двох вловлень з непротічною водою з допомогою реакції

Zn + P dCl 2 - → P d ↓ + ZnCl 2 .

(4.11)

Порошкоподібний осад паладію механічно видаляється і розчиняється в соляній кислоті, до якої доданий перекис водню.

Отриманий розчин нагрівається до розкладання перекисі водню і
його можна використати для коригування ванни активування.

Склад розчину хімічного міднення не обмежується присутністю солей міді і відновника. Поряд зі згадуваними вище комплексоутворювачами (лігандами) до складу розчину входять речовини для забезпечення заданого значення рН розчину, а також різні добавки, що забезпечують осадження міді в отворах малого діаметру, еластичність плівки обложеної міді і т.д. Найчастіше за все склад цих добавок є комерційною таємницею фірми - виробника розчину, розкрити яку за допомогою різних видів хімічного і спектрального аналізу неможливо . Справа в тому, що деякі в ході аналізів хімічні елементи можуть входити до складу розчинів або у вигляді поверхнево активних речовин, або колоїдних розчинів і т.п.

Типові розчини хімічного міднення забезпечують відносно малу швидкість осадження - близько 2,5 мкм / год. Це означає, що при витримці 15 - 25 хв. осаджений шар міді має товщину менше 1 мкм. Принципово можливе отримання товстих (25 - 30 мкм) шарів міді в рамках повністю адитивної технології спряження з необхідністю безперервного коригування складу ванни міднення. Крім того, необхідно якимось чином активувати паладієм поверхню діелектрика тільки в тих місцях , де буде осаджуватися мідь (провідники і міжслойна металізация).

[1] Макаров В. Огляд російського ринку друкованих плат: Електронні компоненти. - 2003 № 8. - М. : ВД Електроніка. - С. 13 - 26 (www.elcp.ru/index.php? State = izd & i _ izd = elcomp & i _ num = 2003 _ 08 - 18 k).

² ГОСТ 23751-86. Плати друковані. Основні параметри конструкції. - М. :Вид-во стандартів, 1988. - 8 с. ¹

¹ Від латинського subtratio - Віднімати, віднімати.

² Від латинського additio - Додавати, підсумовувати.

¹ Лисаченко В. Фольговані діелектрики для вітчизняних виробників друкованих плат: Електронні компоненти. - 2003,№9. - М. :ІД Електроніка - С. 140,141 (www.elcp.ru/index.php? State = izd & i _ izd = elcomp & i _ num = 2003 _ 09 & i _ art = 33 - 11 k).