lec13 Технологические операции изгот ПП (Лекции проф Давыдова УГГИ), страница 2

К подготовительным операциям относится упаковка ПП, кото­рая производится на автоматическом оборудовании. Заготовки со скоростью 120-240 шт./ч помещаются между слоями полиэти­леновой пленки, которая при помощи тепловой обработки завари­вается с четырех сторон и образует герметичную упаковку.

13.2. формирование токопроводящих элементов печатных плат [3, 4]

Технология металлизации. Формирование токопроводящих элементов ПП осуществляется двумя основными методами: химическим (бестоковым) и электрохимическим. Химическая металлизация используется в качестве основного слоя при изготовлении плат аддитивным методом, при этом после соответствующей активации на них осаждают химическим способом проводящий слой толщиной до 3 мкм, а затем его усиливают гальваническим способом до необходимой толщины, так как гальваническое осаждение значительно дешевле. В основном этот метод применяют для осаждения меди и никеля в межслойных переходах ПП

Процесс химической металлизации основан на окислительно-восстановительной реакции ионов металла из его соли в определенной среде, при которой необходимые для восста­новления катионов металла электроны получают в результате окисления специальных веществ, называемых восстановителями.

Для создания межслойных переходов в ПП и для изготовления проводящего рисунка плат используют, как правило, восстановительную ванну для меднения в одном из растворов, при­веденных в таблице.

Разбавленные растворы (1) характеризуются более высокой стабильностью, чем концентрированные (2 и 3), но в них выделе­ние меди происходит с низкой скоростью. При температуре ванны в 35-40 °С получают за 30 мин слой меди толщиной 0,5 мкм. Высокопроизводительные восстановительные ванны для меднения позволяют при температуре примерно 50 °С осадить слой в 25 мкм в течение 4 ч. Для облегчения удале­ния водорода, выделяющегося в процессе меднения, в растворы вводят поверхностно-активные вещества (моющее средство), а процесс ведется с плавным покачиванием плат (8-10 колеб./мин при амплитуде 50-100 мм).

В последнее время рекомендуют применять для получения металлического проводящего слоя также ванны для химического никелирования, которые являются более стабильными и простыми в управлении. В ванны добавляют стабилизаторы, способствующие тому, что реакции происходят только на нужной поверхности, а не в растворе. При температуре 52-54 °С, рН=5÷6 и соотношении площади поверхности и объема ванны 1 дм²/л за 7-10 мин образуется слой никеля толщиной в 1 мкм.

Активация поверхностей диэлектриков. На диэлектриках реакция восстановления протекает при наличии на их поверхности каталитически активного слоя. Для придания диэлектрику способности к металлизации производят двухступенчатую операцию сенсибилизации и активирования.

Сенсибилизация — это процесс создания на поверхности ди­электрика пленки ионов двухвалентного олова, которые впослед­ствии обеспечат восстановление ионов активатора металлизации. ПП хорошо очищают в специальных растворах, особое внимание обращают на обезжиривание. Если печатные платы имеют отверстия особо малых диаметров, то их необходимо очищать в ультразвуковых ваннах. Затем платы опускают на 3-5 мин в солянокислый раствор дихлорида олова (SnCl₂ – 5-10 г/л, HCl – 20-40 г/л). Чтобы предотвратить разрушение раствора в результате гидролиза, необходимо поддерживать высокую концентрацию кислоты. Постепенное разбавление сенсибилизирующей ванны водой, остающейся на платах после промывки, предотвращают, предварительно погружая заготовку в 10%-ную HCl. Время работы сенсибилизирующей ванны можно существенно повысить, добавляя в нее гранулы олова. После сенсибилизации платы промывают в хо­лодной воде. При этом на их поверхности образуется нерастворимая и несмываемая гидроокись олова:

SnCl₂ + 2 H₂O  Sn(OH)₂ + 2 HCl.

Активирование заключается в том, что на поверхности, сенсибилизированной двухвалентным оловом, происходит реакция вос­становления ионов каталитического металла. Обработку прово­дят в растворах благородных металлов, преимущественно палла­дия (PdCl₂ – 0,5-2 г/л, НС1 – 10-20 мл/л) в течение 3-5 мин. Адсорбированные на поверхности плат ионы олова восстанавливают ионы палладия:

Sn²⁺ + Pd²⁺  Pd + Sn⁴⁺.

Атомы палладия являются высокоактивным катализатором для химической металлизации на поверхности диэлектрика. После активации необходимо хорошо промыть заготовки, чтобы не загрязнять ванны химической металлизации. Управление ванной (концентрацией реактивов, величиной рН), чистота ванны (содержание и виды примесей) и степень предварительной очистки плат определяют качество покрытия поверхности палладием, а вместе, с тем качество последующей химической металлизации.

Применяется также одноступенчатая активация в коллоидном растворе, который содержит НСl, катионы Sn²⁺, Sn⁴⁺ и Pd в коллоидной форме (0,1 - 1 г/л). Одноступенчатую активацию проводят при комнатной температуре. Ванну не подвергают регенерации, а эксплуатируют до полной выработки, после чего составляют заново. Для покрытия 100 м² поверхности необходимо примерно 2 г палладия. При одноступенчатой активации в ванне происходят те же процессы, что и при двухступенчатой активации. При погружении ПП в ванну зародыши палладия, как и катионы Sn²⁺ и Sn⁴⁺, адсорбируются одновременно. При последующей промывке ПП в результате реакции воды с ионами Sn получаются гидроксил-хлориды и четырехвалентные соединения олова, при этом продукты гидролиза удаляются, а палладий остается адсорбированным.

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 фосфорноватисто-кислый 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.

Конечным продуктом химической металлизации является готовая печатная плата или промежуточная заготовка, которая затем подвергается гальваническому наращиванию. В этом случае безукоризненная химическая металлизация является основой для хорошего качества гальванического покрытия. Во время гальванического процесса наращиваются не только гладкие поверхности химически осажденного слоя металла, но и все выступы, неровности и прочие дефекты. Каждая неровность, вызванная сверлением или травлением, покрывается без малейшего эффекта выравнивания. Так как гальванический слой растет преимущественно вертикально, возникают причудливые образования, которые могут затруднить установку элементов на печатные платы и пайку. Причиной появления пор при химической металлизации могут быть остатки химических растворов очистки и травления в микротрещинах диэлектрика, пористые образования на стенках отверстий. Они являются продуктами распада материала основы, образующимися при очистке и травлении, или следствием грубой механической обработки.

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. Основой для гальванической металлизации является водный раствор солей металла, содержащий осаждаемый материал в виде положительно заряженных ионов. Необходимые для восстановления электроны поступают от внешнего источника постоянного тока. Под действием внешнего напряжения ионы металла движутся к катоду, присоединяют электроны и осаждаются на нем как нейтральные атомы. Примером может служить восстановление меди: Cu²⁺ + 2e^- → Cu. Катодом является предмет, подлежащий покрытию, например ПП. В качестве анода преимущественно используют осаждаемый материал, реже – не растворяющийся платиновый или стальной электрод. Процессы, происходящие на аноде и катоде, имеют сложный характер. Их определяют реакции переноса, проникновения и адсорбции, которые, в свою очередь, зависят от концентрации компонентов ванны и температуры.

Заготовки плат, закрепленные на специальных подвесках - токоподводах, помещают в гальвани­ческую ванну с электролитом. Режим электрохимической металлизации вы­бирают таким образом, чтобы при высокой производительности были обеспечены равномерность толщины покрытия и его адгезия.

Равномерность толщины осажденных слоев зависит от: 1) габаритных размеров металлизируемых плат (с увеличе­нием ПП равномерность покрытий снижается, что может быть частич­но скомпенсировано увеличением расстояния между анодами); 2) диаметров металлизируемых отверстий (отношение диа­метров к толщине платы должно быть не менее 1/3); 3) располо­жения плат в ванне (для улучшения равномерности платы раз­мещают симметрично и параллельно анодам, площадь которых должна в 2-3 раза превышать площадь металлизации при рас­стоянии между электродами не менее 150 мм); 4) оптимальной плотности тока (при низких значениях уменьшается толщина покрытия в центре пла­ты, при высоких происходит утолщение покрытия на углах и кромках платы); 5) 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. Рекомендуют для предварительной металлиза­ции борфтористоводородный электролит следующего состава (г/л): Cu(BF₄)₂ – 230-250, HBF₄ – 5-15, Н₃ВО₃ – 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 выравнивающие добавки, а процесс ведут непрерывной подачей свежего раствора меднения непосредственно в сквозные отверстия. Сернокислый электролит имеет состав (г/л); CuS0₄-5 H₂0 – 100-200, H₂S0₄ – 150-180, NaCl - 0,03-0,06.

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.

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.

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. Наибольшей эффектив­ностью обладает оборудование, обеспечивающее программное ведение процесса. Оно позволяет на основании модели ТП автоматически изменять форму тока, его амплитуду, частоту, скважность и все временные параметры.

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: защитные щелочесмываемые; защитные гальваностойкие, смываемые органическим растворителем (хло­ристым метиленом). Для получения маркированных знаков используются трафаретные пентафталевые краски.

Качество наносимого защитного слоя 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, должна легко и равномерно растекаться под воздей­ствием ракеля и продавливаться сквозь отверстия печатающих элементов формы.

Ракель обычно изготавливают из листовой маслобензостойкой резины 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 автоматическим оборудованием, которое включает загрузочное устройство, машину для рихтовки плат, сеткографический станок, сушильную печь, накопитель готовых изделий.