Травление меди с пробельных мест

Травление представляет собой сложный окислительно-восста­новительный процесс, который применяют для формирования про­водящего рисунка печатного монтажа путем удаления меди с не­проводящих (пробельных) участков. Травление выполняют хими­ческим или электрохимическим способом. Для химического про­цесса разработаны и используются в промышленности многочис­ленные составы на основе хлорного железа, персульфата аммония, хлорной меди, хромовой кислоты, перекиси водорода, хлорита натрия и др. Выбор травильного раствора определяется следующи­ми факторами, типом применяемого резиста (табл. 5.11), скоро­стью травления, величиной бокового подтравливания, сложностью оборудования, возможностью регенерации и экономичностью всех стадий процесса.

Скорость травления меди зависит от состава травителя, кон­центрации в нем окислителя и условий его доставки в зону обра­ботки, температуры раствора и количества меди, перешедшей в раствор. Ее максимальное значение достигается при поддержании в заданных пределах режима обработки и постоянной регенерации

травителя. Скорость травления оказывает существенное влияние на качество формируемых элементов ПП. При малых скоростях время пребывания платы в травителе увеличивается, что приво­дит к ухудшению диэлектрических свойств оснований и увеличе­нию бокового подтравливания. Оно возникает вследствие того, что травитель воздействует не только на медную поверхность, подле­жащую удалению, но и на боковые, не защищенные резистом, стороны проводников и других элементов схемы. В результате это­го искажается прямоугольный профиль печатных проводников, уменьшается их токонесущая способность и прочность сцепления с

Рис. 5.13. Искажение профиля печатных проводников при травлении: 1- травитель: 2- резист; 3-диэлектрик; 4-пе­чатный проводник

диэлектриком. Величина бокового подтравливания оценивается фактором травления K=S/a (рис. 5.13), который представляет со­бой отношение толщины фольги 5 к величине изменения ширины печатного проводника а. Уменьшают фактор травления введением в используемые растворы специальных добавок: ионы металлов с более низким потенциалом, чем у меди, например Ag, Hg, Pt, Pd, Au, оказывают каталитическое действие на процесс, а органи­ческие соединения (мочевина, аминотриазол, амиды и др.), адсорбируясь на боковых поверхностях, ингибируют их растворений Технологический процесс травления состоит из операций предва­рительной очистки меди, повышающей равномерность ее удале­ния, непосредственно удаления меди с пробельных участков пла­ты, очистки поверхности диэлектрика, осветления при необходимо­сти поверхности металлорезиста и сушки.

Наибольшее распространение в технологии производства ПП получили.травильные растворы на основе хлорного железа (плот­ность 1,36...1,42 г/см²). Они отличаются высокой и равномерной скоростью травления, малой величиной бокового подтравливания, высокой четкостью получаемых контуров, незначительным содер­жанием токсичных веществ, экономичностью. Суммарная реак­ция, протекающая в растворе, описывается уравнением

2FeCl₃+Cu®CuCl₂+2FeCl₂ (5-17)

Скорость процесса в свежеприготовленном растворе составля­ет 40 мкм/мин, но по мере накопления в нем ионов, меди постепен­но снижается и при 100 г/л составляет 5...6 мкм/мин. Повышение температуры и рН травителя относительно оптимальных значений (табл. 5.12) приводит к образованию илистого осадка (смесь фильтрующейся меди и оксида железа), который адсорбируется поверхностью диэлектрика, с трудом удаляется при промывке и ухудшает изоляционные свойства подложки. Травитель не пригоден для получения плат, покрытых металлорезистами на основе олова.

В этом случае рекомендуется применять раствор персульфата аммония. Он на 30...40% дешевле хлорного железа, быстро при­готавливается на рабочем месте, прозрачен и невязок, не образует шлама при травлении, легко поддается регенерации. Процесс растворения протекает по следующему уравнению:

Cu+(NH₄) ₂S₂0+CuSO₄+(NH₄) ₄SO₂ (5.18)

Реакция сопровождается выделением тепла, что вызывает необхо­димость стабилизации температурного режима. Травление приво­дит к большому боковому подтравливанию медных проводников, сопровождается зубчатостью краев из-за различия скоростей хи­мических реакций по зернам металла и по границам зерен, а рас­твор склонен к саморазложению.

Стабильными параметрами травления характеризуются рас­творы на основе хлорной меди. Разработанные кислые и щелочные составы несколько уступают по скорости растворам хлорного же­леза но намного их дешевле. В них не образуется шлам, ПП легко отмываются после обработки, а боковое подтравливание не пре­вышает 3...6 мкм. Растворение меди протекает в соответствии с реакцией

Cu+CuCI®CuCl_{2 (5.19)}

Отсутствие в растворе посторонних, способных восстанавливаться катионов позволяет проводить полную регенерацию в непрерыв­ном замкнутом цикле. Повышение производительности процесса достигается использованием раствора на основе двух окислите­лей—хлорной меди и хлорного железа.

Травление меди в растворе перекиси водорода проводится в кислый среде с добавлением серной или соляной кислоты (табл 5 12) Используемые травители совместимы практически со всми типами резистов. В сернокислом растворе протекают сле­дующие реакции: Cu+H₂O₂®CuO+H₂O; CuO+H₂SO₄®CuS0₄+H₂0 (5.20)

Получаемая H₂S0₄ является химически чистым веществом, лег­ко извлекается и используется для технических целей. При накоп­лении 60...80 кг/м² меди раствор истощается и скорость травления. Полезную емкость по меди до 130 кг/м² имеют соляно-кислые растворы. В них травящей способностью обладают не только ис­ходные компоненты, но и продукты реакции: Cu+H₂O₂®CuO+H₂O; CuO+2HCI®CuCl+H₂0 (5.21)

Cu+CuCl₂®CuCI₂

СuС1+Н₂0₂+2НС1₂®СuС1₂+2Н₂0 (5.22)

Процесс травления сопровождается точным поддержанием со­става ванны и разложением перекиси водорода.

Травильные растворы на основе хромовой кислоты используют для ПП, проводящий рисунок которых защищен Au, Sn—Ni, Sn—Pb. Окисление меди описывается суммарной реакцией

ЗСu+2Сг0₄^2- + 16Н^{+ ®}Сr³⁺+ЗСu⁺²+8Н₂0 (5.23)

По сравнению с описанными выше хромово-кислый травитель имеет низкую скорость растворения меди, малую полезную ем­кость (35 кг/м²), высокую стоимость и токсичность, трудно регене­рируемый. Его применение ограничивается макетными работами. Щелочные растворы на основе хлоритов характеризуются высокой скоростью травления и допустимым содержанием меди в растворе, отсутствием осадка в ванне и на платах, незначитель­ным изменением цвета

Рис. 5.14. Схема установки струйного трав­ления: 1—камера; 2—заготовка: 3—разбрызгивающее устройство; 4 — транспортер; 5 — травитель; 6 — регенератор отработанного раствора: 7 — система трубопроводов с насосом

защитного Sn—Pb покрытия. Однако про­цесс неустойчив и сопровождается самопроизвольным разложени­ем исходных веществ. Окислитель не поддается регенерации.

Химическое удаление меди проводится погружением ПП в тра­витель, наплескиванием раствора на их поверхность или разбрыз­гиванием через форсунки (рис. 5.14). Давление раствора в форсунках колеблется в пределах 0,1...0,5 МПа, а струя подается перпендикулярно поверхности платы или при небольшом отклоне­нии от перпендикуляра. Постоянное обновление окислителя в зоне обработки и удаление продуктов реакции обеспечивают высокую производительность струйному травлению, а траектория струи— незначительное боковое подтравливание.

Производительное технологическое оборудование компонуется по модульному принципу и содержит модули травления, регенера­ции, промывки, осветления и сушки, которые объединяются транс­портной системой и системой трубопроводов. Автоматические мо­дульные линии конвейерного типа оснащаются устройствами для контроля кислотности раствора, его температуры и давления в форсунках.

Электрохимическое травление ПП основано на анодном раство­рении меди с последующим восстановлением ионов стравленного металла на катоде. Такой процесс по сравнению с химическим травлением обладает рядом преимуществ: упрощением состава электролита, методики его приготовления, регенерации и очистки сточных вод, высокой и стабильной

Рис. 5.15. Устройство для электрохимического травления печатных плат: 1 -насос; 2- трубчатый графитовый анод; 3- элек­тролитическая ячейка; 4 -электролит; 5 -диафраг­ма; 6-медный катод; 7—сопло: 8—изделие; 9— травильная камера

скоростью травления в течение дли­тельного периода времени, экономич­ностью, легкостью управления и авто­матизацией всех стадий. Широкое применение электрохи­мического травления сдерживается неравномерностью удаления металла по плоскости платы, что приводит к образованию невытравленных островков и прекра­щению процесса. Индивидуальный токопровод, медленное погружение платы в электролит, совмещение электролитического про­цесса с последующим химическим не обеспечивают его эффектив­ность. Полностью реализовать преимущества электрохимического метода позволяют подвижные носители заряда, которые представ­ляют собой частицы графита, расположенные в суспензированном электролите. Эти частицы принимают заряд с анода и переносят его на поверхность меди, переводя последнюю в ионную форму. Устройство с подвижными носителями заряда приведено на рис. 5.15 и состоит из электролитической ячейки и травильной ка­меры, между которыми прокачивается электролит. Электролит со­держит серную кислоту (50... 100 г/л) с добавкой 011804 (до 10%) и взвешенный активированный уголь (массовое содержание 15...30%) с размером частиц 10...50 мкм. Использование электро­химического травления сводит к минимуму боковое подтравливание токопроводящих дорожек и обеспечивает разрешающую спо­собность, равную 70...100 мкм, но стоимость технологического оборудования превышает стоимость машин для химического трав­ления.

После удаления меди с пробельных участков ПП промывают оборотной (используемой для разбавления растворов в модулях травления), а затем холодной проточной водой. Если на поверх­ности металлических резистов (особенно Sn—Pb) в результате химического взаимодействия с травителем образуются нераство­римые соединения, вызывающие потемнение и ухудшение их паяемости, то их осветляют при температуре 18...25°С в течение 3... 5 мин. Растворы осветления готовят на основе кислот и тио-мочевины, например (г/л): соляная кислота—50...60, тиомочеви-на—90...100, этиловый спирт—5...6, моющее средство «Прог­ресс» или другое поверхностно-активное вещество—1...10.

5.9. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Подготовительные операции предназначены для обеспечения качества при выполнении основных процессов формирования эле­ментов печатного монтажа. Они включают очистку исходных ма­териалов и монтажных отверстий от окислов, жировых пятен, смазки, пленок и других загрязнений, активирование поверхностей проводящего рисунка, специальную обработку диэлектриков, а также контроль качества подготовки. В зависимости от характера и степени загрязнений очистку (активирование) проводят механи­ческими, химическими, электрохимическими, плазменными метода­ми и их сочетанием. Выбор технологического оборудования для подготовительных операций определяется серийностью производ­ства.

Механическая подготовка в условиях мелкосерийного произ­водства осуществляется вручную смесью венской извести и шлифпорошка под струей воды. Экономически оправдано применение ме­ханизированных и автоматических конвейерных линий в условиях крупносерийного и массового производства. Инструментом на этих линиях служат абразивные круги, капроновые или нейлоновые щетки, на которые подается абразивная суспензия. В некоторых зарубежных установках для зачистки используются круги из не­тканого нейлона, насыщенные мелкодисперсным порошком карбо­рунда или алунда, которые для устранения перегрева обильно смачивают водой. Для очистки монтажных отверстий от наволакивания смолы и других загрязнений широко применя­ются установки гидроабразивной об­работки (рис. 5.16), в которых платы со скоростью 0,2... 0,4 м/мин прохо­дят рабочую, промывную и сушиль­ную камеры установки. В рабочей камере через инжекторные форсунки, качающиеся вокруг оси с частотой 35... 100 циклов в минуту, под давлением 0,5... 0,7 МПа подается пульпа, состоящая из абразивного порошка (24А, 63С) и воды, которая произво­дит эффективную очистку. Подача воды под давлением 1... 1,2 МПа обеспечивает тщательную про­мывку отверстий в следующей камере. Сушка заготовок осуще­ствляется сжатым воздухом.

Рис. 5.16. Схема рабочей камеры модуля гид­роабразивной очистки отверстий и поверхности печатных плат: 1—камера; 2—форсунки барботажа; 3—фильтр; 4—инжекторные форсунки; 5—заготовка; 6—патру­бок слива излишков воды; 7 — патрубок слива рабо­чей смеси из камеры

Ручная химическая и электрохимическая подготовка поверхно­сти проводится в ваннах с различными растворами при покачива­нии плат и последующей их промывкой, а механизированная— на автооператорных линиях модульного типа по заданной прог­рамме (табл. 9.13).

Высокое качество и производительность обеспечивает плазмен­ная очистка ПП, которая устраняет использование токсичных кис­лот, щелочей и их вредное воздействие на обслуживающий персо­нал, материалы обработки и окружающую среду. Установка плазмохимической обработки МПП с программным управлением УПХО-П предназначена для удаления диэлектри ка с торцов кон­тактных площадок. Карусельный принцип позволяет обрабаты­вать при одной загрузке до 8 плат размером 400õ800 или 16 плат—500õ500 мм, 64 платы—220õ170 мм. Аналогичная уста­новка для тех же целей разработана фирмой Branson 1РС, США. Она состоит из реактора, мощного ВЧ-генератора, устройства уп­равления и регулирования процессов, вакуумного насоса. Давле­ние в камере 20... 40 Па. Плазмообразующий газ, состоящий цз кислорода (70%) и тетрафторметана (30%), подается в камеру со скоростью 600...900 см^/мин. Мощность ВЧ-генератора регули руется в диапазоне 0...4000 Вт, а частота составляет 13,56 МГц. На установке одновременно обрабатывается до 15 плат размером 45õ60 см, каждая из которых имеет до 3000 отверстий. Длитель­ность операции очистки пакета— 10... 16 мин.

Специальная обработка диэлектрического материала при изго­товлении МПП или ПП аддитивными методами заключается в его подтравливании и придании шероховатйсти для увеличения проч­ности сцепления с металлизацией. Подтравливание диэлектрика проводится последовательной обработкой сначала в серной кисло­те, а затем в плавиковой или в их смеси (5:1) при температуре 50...60°С. Серная кислота образует с эпоксидной смолой слож­ный, растворимый в воде, сульфированный полимер, а обнажив­шееся стекловолокно вступает в реакцию с плавиковой кислотой. Скорость травления составляет 40...80 мкм/мин. После обработки платы нейтрализуют в растворе щелочей и тщательно промывают.

Увеличение шероховатости диэлектрических поверхностей и клеевых композиций (акрилбутадиенстирольный каучук) достига­ется механической (гидроабразивной) или химической обработ­кой. Один из вариантов процесса химической подготовки, вклю­чающий набухание

клеевой композиции и последующее вытравливание частиц каучука с поверхности, приведен в табл. 5.14.

Контроль качества подготовки металлических поверхностей за­готовок ПП оценивают по полноте смачивания их водой. Состоя­ние диэлектрических поверхностей проверяют микроскопическими исследованиями, измерением высоты микронеровностей, проведе­нием пробной металлизации и оценкой ее прочности сцепления с основанием. Объективным показателем качества является также проверка сопротивления изоляции после пребывания в камере влажности.

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.