Высшее профессиональное образование

Физико-химические основы технологии электронных средств

Допущено

Методическим объединением вузов

по университетскому политехническому образованию

в качестве учебного пособия

для специальности 000000000 «Проектирование и технология электронных средств»

Оглавление

Стр.

Введение…………………………………………………………………………………….

Раздел 1……………………………………………………………………………………..

Раздел 2……………………………………………………………………………………..

Раздел 3……………………………………………………………………………………..

Раздел 4……………………………………………………………………………………..

Раздел 5……………………………………………………………………………………..

Раздел 6……………………………………………………………………………………..

Раздел 7……………………………………………………………………………………..

Заключение………………………………………………………………………………….

Приложение 1……………………………………………………………………………….

Приложение 2……………………………………………………………………………….

Приложение 3……………………………………………………………………………….

Приложение 4……………………………………………………………………………….

Приложение 5………………………………………………………………………………..

Принятые сокращения

ЭА – электронная аппаратура

ЭВС – электронно-вычислительные средства

ЭВМ – электронно-вычислительные машины

РЭА – радиоэлектронная аппаратура

Раздел 2. НАНЕСЕНИЕ МАТЕРИАЛА

Базовые физические и химические эффекты технологий нанесения материала на поверхность

3. Химическая металлизация.

Формирование токопроводящих элементов печатных плат осуществляется двумя методами:

 химическим

 электрохимическим

Химическая металлизация плат используется для получения основного слоя при изготовлении печатных плат аддитивным методом. Применяется метод и для нанесения подслоя перед гальваническим осаждением комбинированным методом. Химическое осаждение материалов используется также для получения пленок металлов, полупроводников и диэлектриков на полупроводниковых и диэлектрических деталях. Осаждение может происходить как из жидкой, так и из газообразной среды.

Покрытия по назначению делятся на

1) функциональные, для решения различных задач – защита, экранирование, повышение теплопроводности, электропроводности и т.п.

2) декоративное значение

Контактное взаимодействие металлов с полимерами.

В зависимости от условий металлизации полимеров могут реализовываться следующие механизмы взаимодействия:

1) адсорбционный

2) химический

3) электрический

4) диффузионный

5) термодинамический

Наиболее прочная металлизация полимеров осуществляется методом вакуумного осаждения металлических плёнок. Самое сильное контактное взаимодействие наносимых контактных слоёв на материалы возникает вследствие химического взаимодействия:

 полярных функциональных групп

 ненасыщенных химических связей

Предварительная обработка полимеров (активация поверхности) устраняет их адгезионную инертность, возникающую вследствие насыщенности связи на поверхности и неполярности структуры цепных молекул полимера.

Для качественной активации необходимо предварительно эту поверхность тщательно очистить. Сила сцепления металлической плёнки с диэлектриком имеет величину (100-140)·10⁵ Па (после вакуумной металлизации).

С

Пластмассовые изделия

Металлизация жидким металлом

Металлизация в вакууме

Химическая металлизация

Распыление сжатым газом

Напыление

Из раствора

В газовой среде

уществует три основных способа металлизации пластмасс (рис. 2.1)

				Рис. 2.1. Способы металлизации диэлектрических материалов

Под химической металлизацией понимают образование слоя металла в результате химической реакции протекающей на поверхности. Химическая металлизация из газовой среды позволяет получить покрытие из активных металлов – цинка, хрома и некоторых других; то есть таких металлов, которые не удаётся восстановить из раствора. Химическая металлизация в растворе позволяет получить покрытия из меди, серебра, никеля, кобальта.

Скорость наращивания химического металла ниже, чем при гальванической металлизации, поэтому химическая металлизация применяется в основном для подслоя (проводящего) для последующего гальванического наращивания.

Достоинства метода химической металлизации:

1) простота оборудования

2) возможность получать покрытия с толщиной от долей мкм до десятков мкм

3) равномерность толщины плёнок у деталей сложной формы

4) хорошее сцепление плёнки с пластмассой, с полимером

Недостатки: небольшой ассортимент осаждаемых металлов, низкая скорость осаждения.

В радиоэлектронике наиболее широко полимеры применяются для изготовления печатных плат (металл – медь, пластмасса – на основе эпоксидных смол), светофильтров ИК (металл золото на акриловой основе), волноводов и антенн (металл серебро, основа-полистирол, полиуретан, пенополиуретан), теплоотражателей и скафандров (пленки на основе политетрафторэтилене), коаксиальных кабелей (металл-медь, основа – полиэтилен), элементов памяти и др.

Подготовка поверхности пластмассовых изделий для металлизации заключается в специальной обработке, то есть путём механической обработки создают шероховатую поверхность. Затем её обезжиривают и подтравливают.

3.1. Подготовка поверхности детали перед химической металлизацией.

Процесс химической металлизации основан на окислительно-восстановительной реакции ионов металла из его комплексной соли в определённой среде, при которой должны обеспечиваться необходимые для восстановления катионов металла электроны. Электроны получают в результате окисления специальных веществ, называемых восстановителями. На диэлектрике восстановление протекает только при наличии на его поверхности каталитически активного слоя. Для придания диэлектрику способности к металлизации проводят операции сенсибилизации и активации. Практически все реакции восстановления металла в процессах химической металлизации являются автокаталитическими, то есть катализаторами являются соли металлов. Поэтому необходимо, чтобы в начале процесса восстановления поверхность диэлектрика обладала каталитическими свойствами. Для этого ее активируют — осаждают на поверхности каталитические частицы металлов.

Существует несколько способов активирования поверхности деталей см. рис.___.

Обработка поверхности диэлектрика раствором металла — катализатора (раствором солей металла катализатора) или его коллоидным раствором называется прямым активированием (2). Процесс активирования с предварительной сенсибилизацией называется сенсактивированием. Сенсибилизация (1) – это осаждение на поверхность частиц сильного восстановителя, способного связывать или восстанавливать ионы металла (активатора) в растворе его соли. Промывка водой нужна для того чтобы соли активатора не попали в раствор для металлизации. Иногда промывают раствором восстановителя для усиления эффективности активирования (3,4). Для придания активности поверхности иногда достаточно только сенсибилизации. Например, сенсибилизации и активирования в растворе Sn²⁺ для осаждения ионов благородных металлов, чаще всего это Pd, Au, Ag.

Рис. 2.2.

Способы активирования поверхностей диэлектриков.

Механическое нанесение катализатора позволяет избирательно наращивать металлический слой.

В процессе сенсибилизации на поверхности диэлектрика создаются тончайшие плёнки Sn²⁺. В качестве сенсибилизатора чаще всего используют щелочные растворы Sn²⁺, могут применяться для этих же целей также соединения Ge, Fe ,Ti могут применяться также галогениды Si, соли Pb и некоторые органические вещества. Согласно наиболее правдоподобной гипотезе, присоединение частиц восстановителя к поверхности диэлектрика происходит не в растворе сенсибилизации, а при последующей промывке поверхности водой.

SnCl ₂ + H₂O  Sn(OH)Cl + Hcl (1-я ступень)

Sn(OH)Cl + H₂O  Sn(OH)₂ + HCl (2-я ступень)

Малорастворимая соль Sn(OH)Cl оседает на поверхности вследствие коагуляции, образуя слой толщиной до тысяч ангстрем.

На количество осадков (нерастворимая соль) и их структуру влияет концентрация Sn²⁺ в растворе, а также кислотность раствора, структура и форма покрываемой поверхности и даже гидродинамические параметры промывочной струи воды (т.е. под каким давлением, сколько времени идёт промывка, равномерно или неравномерно струя обрабатывает поверхность и т.д.). Промывка в некоторых растворах значительно увеличивает количество осадков (NH₄OH и Na₂CO₃), так как гидролиз протекает быстрее.

При окислении Sn²⁺ до Sn⁴⁺ эффект сенсибилизации исчезает, однако в небольших количествах Sn⁴⁺ необходимо. Если есть возможность полного окисления Sn²⁺ до Sn⁴⁺, то можно реализовать селективную сенсибилизацию поверхности диэлектрика. Качество металлизации улучшается при увеличении нерастворимых осадков содержащих Sn²⁺, потому что при этом возрастает количество центров кристаллизации химически осаждаемого металла, а также плотность этого металла выше (это хорошо!), однако чрезмерное количество Sn²⁺ на поверхности приводит к образованию толстого и рыхлого слоя металла катализатора и отслаиванию полученных покрытий. Существует много растворов для сенсибилизации.

1. Кислые

SnCl₂·2H₂O - 10  100 г/л

HCl - 10  50 г/л

Раствор сенсибилизации диэлектрика печатных плат

2. Щелочной состав

SnCl₂·2H₂O - 100 г/л

NaOH - 150 г/л

Сегнетова соль NaKC₄H₄O₆·2H₂O - 175 г/л

3. Спиртовые

SnCl₂·2H₂O - 20  45 г/л (в этиловом спирте)

Можно использовать вместо SnCl₂·2H₂O

SnSO₄·nH₂O - сульфат

SnBF₆ - фторборат (для сенсибилизации стекла, керамики, фторопласта)

Для сенсибилизации поверхности, которые плохо смачивается, вводят в растворы поверхностно активные вещества (ПАВ) в разной концентрации от 0,02 г/л до 1г/л. продолжительность операции сенсибилизации от полминуты до 15  20 минут. Температура, как правило, комнатная. После сенсибилизации поверхность промывают и обрабатывают её растворами каталитически активных металлов (Pd, Au, Ag, Pt). Благородные металлы пригодны для этой цели потому, что они легко восстанавливаются и при этом не пассивируются. Важно также, что они все являются хорошими проводниками.

Сущность процесса активирования заключается в осаждении на поверхности диэлектрика трудно растворимых частиц каталитического металла в результате реакции с металлом восстановителем. При химической металлизации эти частицы служат центрами кристаллизации осаждаемого металла. Процесс активирования длится от 0,5 минуты до 5 минут. Чаще всего для активации используют такой простой раствор:

PdCl - 0,1-5 г/л

HCl - 0,35-20 мл/л.

Могут применяться и другие растворы активирования:

Таблица № 2.__

№

Состав растворов активирования

Период индукции

[с]

Скорость восстановления

[мг/см²] за 10 мин

Адгезия

[кг·с/см²]

1.

Хлорид палладия 0,8 г/л

Соляная кислота 10 мл/л

15

0,16

0,8  0,4

2.

Хлорид палладия 4 г/л

Трилон Б 12 г/л

Гидроокись аммония (25%-ый раствор) 300 г/л

86

0,03

1  0,1

3.

Нитрат серебра 10 г/л

Этиловый спирт 1 л

32

0,18

1  0,1

4.

Хлорид палладия 0,25 г/л

Этиловый спирт 1 л

11

0,2

-

5.

Нитрат серебра 2 г/л

Гидроокись аммония (25%-ый раствор) 20 г/л

210

0,09

0,7  0,2