124645 (Травление меди с пробельных мест. Химическая и электрохимическая металлизация), страница 2

2. ХИМИЧЕСКАЯ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ

Химическая металлизация ПП используется в качестве подслоя для нанесения основного слоя токопроводящего рисунка гальваническим способом при субтрактивном и полуаддитивном методе или основного слоя при изготовлении плат аддитивным методом. Толщина слоя химической меди должна составлять 0,25—1,0 мкм, покрытие должно быть однородным, пластичным, хорошо сцепленным с диэлектриком.

Для придания диэлектрику способности к металлизации проводят такие подготовительные операции, как сенсибилизация и активация поверхности.

Сенсибилизация (от лат. sensibilis — чуствительный) поверхности имеет целью формирование на поверхности диэлектрика пленки ионов двухвалентного олова Sn²⁺, являющихся восстановителем для ионов активатора металлизации. Платы обрабатывают в растворе двуххлористого олова и соляной кислоты с соотношением 1:4 в течение 5—7 мин и промывают в деионизованной воде. Образование гидрооксида олова происходит по реакциям:

, .

Электронно-микроскопические исследования показали, что гидрооксид двухвалентного олова адсорбируется в виде отдельных участков размером порядка 10 нм, на расстоянии 20—30 мм друг от друга, так, что ею покрывается вся поверхность диэлектрика. Гидрооксид двухвалентного олова обладает сильными восстановительными свойствами.

Активация поверхности диэлектрика проводится в растворах солей благородных металлов, преимущественно палладия, и способствует последующему осаждению меди. Активирующий раствор имеет следующий состав: 3,5—4,0 г/л PdCl₂, 10—20 мл/л HCl, остальное — вода, а процесс осуществляют при температуре 40—50 С (pH = 3,5—0,5) в течение 5—7 мин.

Реакция восстановления палладия на диэлектрике

,

в ионном виде

,

на торцах контактных площадок

.

На поверхности изоляционного материала вследствие адсорбции и восстановления палладия образуется тонкая сетка частиц размером порядка 10 нм. Связь частиц палладия с подложкой определяется их внедрением в поры диэлектрика, а также образованием ковалентных связей между металлом и материалом подложки. Для хорошего сцепления необходимо, чтобы на поверхности диэлектрика было не менее 110^–6 кг/см² палладия. Пленка палладия, образующаяся на торцах контактных площадок, является нежелательной, так как приводит к снижению прочности химически осажденной меди в результате образования гидридов палладия при захватывании палладием водорода. Кроме того, это приводит к образованию высокого и неравномерного переходного электрического сопротивления.

Для устранения контактного выделения палладия применяют либо предварительное оксидирование медных торцов контактных площадок, либо совмещенные растворы для активации диэлектрика следующего состава (г/л): 0,8—1,0 PbCl₂, 40—70 SnCl₂2H₂O, 150—200 HCl, 140—150 KCl.

Совмещенный активатор содержит коллоидные растворы, в которые входят соли палладия и олова. При обработке плат в этом растворе в течение 5—10 мин выделение палладия на торцах контактных площадок значительно меньше.

Химическое осаждение меди — окислительно-восстановительный процесс, который происходит вследствие восстановления ионов двухвалентной меди на активированных поверхностях из ее комплексных солей. Основными компонентами раствора химического меднения являются:

• 15—20 г/л сернокислой меди CuSO₄ — источника катионов Cu²⁺ ;

• 2—4 г/л солей никеля NiCl₂ для большей прочности сцепления меди с диэлектриком;

• 10—15 г/л щелочи NaOH для создания pH = 10—13;

• 2—4 г/л Na₂CO₃ для увеличения скорости химического меднения и как буферная добавка;

• 4—16 г/л восстановителя 33 %-го раствора формалина (CHOH);

• комплексообразователь калий виннокислый как стабилизатор раствора — 50—60 г/л.

При введении формалина в раствор реакция восстановления меди при комнатной температуре становится автокаталитической. Процесс химического меднения представляет собой сумму электрохимических реакций катодного восстановления металла и анодного окисления восстановителя. Основная катодная реакция восстановления меди выражается уравнением

.

Анодная реакция заключается в окислении формалина при pH = 12—13 и потенциале + 0,80 В. Время осаждения подслоя меди толщиной 0,5 мкм при температуре 20 С составляет 15—20 мин. Для облегчения удаления водорода и лучшего омывания раствором отверстий малого диаметра процесс ведется с плавным покачиванием плат (8—10 качаний в минуту при амплитуде 50—100 мм).

Для повышения качеств металлизации ПП в серийном производстве применяют специальное технологическое оборудование, которое обеспечивает поддержание температуры с точностью 1 С и состава растворов, повышает производительность труда в 10 раз, снижает стоимость металлизации на 20—30 % по сравнению с ручным трудом.

Для химической металлизации ПП используют автоматические линии типа АГ-38, АГ-42, оснащенные набором ванн необходимого размера и автооператором (рис. 2). В соответствии с заданной программой подвески с платами перемещаются автооператорами, управляемым командоаппаратом. Длина линии по ходу автооператоров — 10 м, габаритные размеры плат — 250250 мм, производительность составляет 30 шт/ч.

рис. 2. Автоматическая линия АГ-38

Линия химической металлизации МЦ 104.131 имеет гибкую систему управления автооператором, механизм покачивания подвесок грузоподъемностью до 500 кг. Количество одновременно загружаемых заготовок в ванне — 132, темп выхода подвесок с линии — 12 шт/мин, из автооператоров — 3 шт/мин, производительность линии 660 плат в час, что в 2 раза выше производительности линии АГ-42.

Основными проблемами химической металлизации являются низкая производительность, сложность процесса, использование драгоценных металлов. Поэтому разрабатываются процессы термохимической беспалладиевой металлизации в растворе следующего состава: 130—170 г/л кальция фосфорноватисто-кислого, 200—250 г/л меди сернокислой пятиводной, 6—10 г/л гипофосфита аммония, 200—300 мл/л аммиака (25%-го). После обработки платы выдерживают в термошкафу при температуре 100—150 С в течение 8—10 мин, в результате чего происходит термическое разложение комплексной соли гипофосфита меди на поверхности платы и в отверстиях, приводящая к образованию электропроводящего покрытия.

Гальваническую металлизацию в производстве ПП применяют:

- для образования проводящего рисунка схемы с толщиной меди в отверстиях не менее 25 мкм;

- для предварительного увеличения тонкого слоя химической меди до толщины 5—8 мкм с целью последующего формирования рисунка схемы;

- для нанесения металлического резиста, например олово—свинец, толщиной 10—20 мкм либо специальных покрытий золотом, серебром толщиной 2—5 мкм.

Гальванический метод нанесения металлических покрытий был изобретен в 1837 г. в России электротехником Б.С.Якоби и заключается в том, что деталь, подлежащая покрытию, помещается в электролитно-водный раствор солей металла в качестве катода, а анодом является осаждаемый металл (медь). Необходимые для восстановления электроны поступают от внешнего источника постоянного тока. Под действием напряжения ионы металла движутся к катоду, присоединяют электроны и осаждаются на нем как нейтральные атомы (рис. 3). Понятия "анод" (от греч. anodos — движение вверх, восхождение) и "катод" (от греч. kathodos — ход вниз, возвращение) были введены М. Фарадеем для обозначения направлений движения частиц, выделенных на электродах. Реакция восстановления меди

.

рис. 3. Cхема гальванической металлизации

Для предварительной металлизации (затяжки) отраслевыми стандартами рекомендуются борфтористоводородные и сернокислые электролиты меднения. Первый состоит из: 230—250 г/л борфтористой меди Cu(BF₄)₂ источника ионов; 5—15 г/л борфтористоводородной кислоты HBF₄, вводимой для повышения злектропроводности электролита; 15—40 г/л борной кислоты H₃BO₃, необходимой для стабилизации электролита. Процесс ведут при температуре (205) С, катодной плотности тока 3—4 А/дм², скорости осаждения 20—30 мкм/ч.

Достоинства электролита — большая концентрация меди, высокая скорость ее осаждения, покрытие получается более мелкокристаллическое, чем из сернокислого электролита. Недостаток — высокая агрессивность электролита.

Лучшей рассеивающей способностью характеризуется сернокислый электролит с комплексной добавкой следующего состава: 60—70 г/л сернокислой меди; 150—180 г/л серной кислоты; 0,03—0,06 г/л хлористого натрия; 1—3 мл/л комплексной добавки (трилон Б).

Электролитический сплав олово—свинец должен иметь состав, приближающийся к эвтектическому, что обеспечивает в дальнейшем его оплавление при минимальной температуре и хорошую паяемость ПП. Это достигается определенным процентным содержанием олова и свинца в электролите, строгим поддержанием режима осаждения.

Осаждение покрытия олово—свинец ведут в борфтористоводородном электролите следующего состава: 13—15 г/л Sn²⁺, 8—10 г/л Pb²⁺, 250—300 г/л HBF₄, 20—30 г/л H₃BO₃, 3—5 г/л комплексных добавок. Аноды изготавливают из сплава, содержащего 61 % олова и 39 % свинца. Процесс осаждения ведут при температуре (205) С, плотности тока 1—2 А/дм², скорость осаждения при этом составляет 1 мкм/мин.

В качестве оборудования используют автооператорную и управляемую ЭВМ линию АГ-44 или универсальные лабораторные установки типа УПУГ-1, УПУГ-2, имеющие ванны с автоматическими регуляторами температуры и пневматическими механизмами для покачивания штанг.

Для улучшения паяемости гальваническое покрытие сплавом олово—свинец оплавляют, используя установки с ИК-нагревом НПО "Ратон". Установка состоит из верхнего и нижнего блоков отражателей, между которыми проходит конвейер. ИК-лампы, установленные в фокусе эллиптического отражателя, фокусируют световой поток на поверхность плат, в результате сплав олово—свинец оплавляется и приобретает структуру металлургического сплава. Температура зоны предварительного нагрева составляет 200 С, а зоны оплавления — 500 С 5 %. Скорость движения конвейера 0,05—0,5 м/мин, потребляемая мощность 51,5 кВт.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов – М.: Высш.шк., 2000. – 432 с.

2. Соломахо В.Л., Томилин Р.И., Цитович Б.В., Юдовин Л.Г. Справочник конструктора-приборостроителя. - Мн.: Выш. школа, 2003. - 272 с.

3. Справочник конструктора РЭА: Компоненты, механизмы, надежность/ Н.А. Барканов, Б.Е. Бердичевский, П.Д. Верхопятницкий и др. Под ред. Р.Г. Варламова. - М.: Радио и связь, 2005. - 384 с.

4. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования/ Под ред. Р.Г. Варламова. - М.: Сов. радио, 2000.