Технология металлизации печатных плат

Формирование токопроводящих элементов ПП осуществляется двумя основными методами: химическим и электрохимическим. Химическая металлизация используется в качестве основного слоя при изготовлении плат аддитивным методом или как подслой перед гальваническим осаждением в комбинированных ме­тодах.

Процесс химической металлизации основан на окислительно-восстановительной реакции ионов металла из его комплексной соли в определенной среде, при которой необходимые для восста­новления катионов металла электроны получают в результате окисления специальных веществ, называемых восстановителями. На диэлектрике реакция восстановления протекает при наличии на его поверхности каталитически активного слоя. Для придания диэлектрику способности к металлизации производят операции сенсибилизации и активирования.

Сенсибилизация — это процесс создания на поверхности ди­электрика пленки ионов двухвалентного олова, которые впослед­ствии обеспечат восстановление ионов активатора металлизации. Платы обрабатывают в растворе двуххлористого олова и соляной кислоты (SnCIa—5... 10 г/л, HCI—20... 40 г/л, остальное— дистиллированная вода) в течение 5... 7 мин и промывают в хо­лодной воде. При этом происходит гидролиз хлористого олова по реакции

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... 4 г/л, НС1—10... 20 мл/л, остальное— дистиллированная вода) в течение 5... 7 мин. На плате происхо­дят следующие реакции: на диэлектрике

на поверхности фольги

Контактное выделение палладия на меди приводит к образова­нию барьерного слоя из рыхлой и непрочной пленки гидридов палладия, которая снижает адгезионные свойства химически осаж­денной меди и увеличивает переходное сопротивление. Для улуч­шения качества металлизации используют совмещенный раствор, в котором контактное выделение палладия существенно умень­шается. Совмещенный раствор имеет следующий состав (г/л): PdCl₂—O.5... 4 г/л, SnCl₂-2H₂0—40... 70 мл/л, KCI—140... 150, HCI— 150... 200.

После активирования и промывки платы поступают на хими­ческое меднение, которое проводится в одном из растворов, при­веденных в табл. 9.8.

Разбавленные растворы (1) характеризуются более высокой стабильностью, чем концентрированные (2 и 3), но в них выделе­ние меди происходит с низкой скоростью. Для облегчения удале­ния водорода, выделяющегося в процессе меднения, в растворы вводят поверхностно-активные вещества (моющее средство «Про­гресс»), а процесс ведется с плавным покачиванием плат (8...... 10 колеб./мин при амплитуде 50... 100 мм).

Как видно, 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.

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

Равномерность толщины осажденных слоев зависит от [31]: 1) габаритных размеров металлизируемых плат (с их увеличе­нием равномерность покрытий снижается, что может быть частич­но скомпенсировано увеличением расстояния между анодами, а также подбором их положения в пределах гальванической ван­ны); 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) рассеивающей способности электролитов; 5) оптимальной плотности тока (при низких значениях уменьшается толщина покрытия в центре пла­ты, при высоких происходит утолщение покрытия на углах и хром-

ках платы); 6) 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. Отрас­левые стандарты рекомендуют для предварительной металлиза­ции борфтористоводородный электролит следующего состава (г/л): Cд(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 блескообразующие и выравнивающие добавки, а процесс ведут непрерывной подачей свежего раствора меднения непосредственно в сквозные отверстия. Сернокислый электролит с блескообразующей добавкой имеет состав (г/л); CuS0₄-5H₂0—100... 200, H₂S0₄—150... 180, NaCI—0,03...... 0,06, комплексная добавка — I... 3 мл/л.

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. При осажде­нии сплава олово—свинец из борфтористоводородного электро­лита (г/л): Sn²⁺— 13... 15, Pb^{2 +} —8... 10, HBF₄—250...300, Н₃ВО₃—20... 30, пептон—3... 5, гидрохинон—0,8...1, аноды изготавливают из сплава, содержащего 61% свинца и 39% олова. Процесс ведут при комнатной температуре, плотности тока 1... 2 А/дм² и скорости осаждения 1 мкм/мин.

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

Рис. 9.9. Программно управляемая установка нестационарного электролиза: УЭВМ — управляющая ЭВМ; БФ — блок фильтров; БП — блок питания; ИНТ — интегрирую­щее устройство; ЗУ — запоминающее устройство; БУ — блок управления; СЧАЧ — счетчик ампер-часов; ИТ— измеритель тока; БСИН — блок синхронизации; БУУ — блок управления уровнем- БПГВ — блок питания гальванической ванны; ГВ — гальваническая ванна; АЦП — аналого-цифровой преобразователь: СЧС — счетчик; ПУИ — пульт управления и индикации

внутренние напряжения в покрытиях, повышается их пластич­ность. Увеличение концентрации ионов осаждаемого металла в прикатодном слое позволяет увеличить скорость осаждения.

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. Однако наибольшей эффектив­ностью обладает оборудование, обеспечивающее программное ведение процесса, так как оно позволяет оптимизировать процесс как по комплексу физико-механических свойств, так и по произ­водительности труда. Вариант программно управляемой установки нестационарного электролиза приведен на рис. 9.9. Она позволяет на основании построенной модели ТП автоматически изменять форму тока, его амплитуду, частоту, скважность и все временные параметры. Токовые параметры в устройстве стабилизированы, а расход металла контролируется по счетчику ампер-часов.

Химическая и электрохимическая металлизация проводится на на автооператорных линиях (АГ-44) с набором ванн необходи­мого размера. Управляет такими линиями мини-ЭВМ, которая анализирует результаты контроля параметров ТП и с помощью исполнительных механизмов производит их корректировку. Это позволяет перейти к более высокой степени автоматизированного производства—к гибким производственным системам (ГПС). Схема реализации такого производства приведена на рис. 9.10, а структурная схема (АСУ ТП) —на рис. 9.11. Как видно из при­веденных рисунков, для нормального функционирования ГПС необходимо иметь автоматизированные склады заготовок, готовой

Рис. 9.10. Схема реализации гибкого автоматизированного химико-гальваническо­го производства

продукции, технологических спутников (например, СТАС-250), автоматизированные участки монтажа и демонтажа, автоматизи­рованные транспортные системы, системы датчиков и исполни­тельных механизмов. В настоящее время разработаны унифици­рованные ряды датчиков (оптической и физической плотности электролитов, их температуры, уровня и степени загрязненности, скорости движения и положения автооператора, занятости ванны, тока и напряжения на ней) и исполнительных механизмов (блоки подачи, фильтрации и корректировки растворов, стыковочные, ста­билизации температуры, привода транспортера, загрузки и обра­ботки). Применение специальных роботов и манипуляторов по-

Рис. 9.11. Структурная схема АСУ ТП гальванических покрытий: БРВ — блок управления режимом ванн; БУС — блок управления системой; ПЛ — перфора­тор; ФС — фотосчитыватель; ПЧ — печатающее устройство; ПТО — пульт технолога-опера­тора; БАО — блок управления автооператорами; БУВ — блок управления ваннами; ПРУ — пульт ручного управления; ВПО — ванна подготовительной операции; ВЗО — ванна заклю­чительной операции; РВ—рабочая ванна; АО—автооператор; ДЗ—датчик занятости ван­ны: ДТ—датчик температуры; Н—нагреватель; ДП—датчик положения автооператора; ДК — датчик концентрации; Д — дозатор; БПГВ — блок питания гальванической ванны; БФ — блок фильтров

зволит автоматизировать трудоемкие процессы монтажа и демон­тажа подвесок, загрузки и разгрузки барабанов, в которых про­исходит осаждение покрытий.