Краткий справочник гальванотехника - 1993 - Ильин. Справочник гальванотехника санктПетербург " политехника"

• Название: Справочник гальванотехника санктПетербург " политехника"
• Дата: 17.07.2022
• Размер: 3.02 Mb.
• Имя файла: Краткий справочник гальванотехника - 1993 - Ильин.doc
• Тип: Справочник; #632290
• страница: 27 из 41

Глава 11

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

28. Назначение печатных плат и методы их изготовления

Назначение. Печатная плата представляет собой плоское изоляционное основание, на одной или обеих сторонах которого расположены токопроводящие полоски металла (проводники) в соответствии с электрической схемой. Для монтажа электро­радиоэлемента (ЭРЭ) на плату служат отверстия на плате (мон­тажные отверстия), которые в зависимости от назначения платы могут быть металлизированными или не иметь металлизации. Металлизированные отверстия, служащие для соединения проводников, расположенных на обеих сторонах платы, называются переходными,
Таблица 137. Схемы технологических процессов изготовления печатных плат химическим методом

Операция	Операция
А. Негативный способ Резка и рихтовка заготовок Зачистка поверхности Получение защитного рельефа на проводниках Травление меди Удаление защитного рельефа Сверление или пробивка отверстий Обработка контура Маркировка Нанесение защитной маски Консервация	Б. Позитивный способ Резка и рихтовка заготовок Зачистка поверхности Получение защитного рельефа на проводниках Нанесение гальванического покрытия на проводники Удаление защитного рельефа Травление меди Сверление или пробивка отверстий Обработка контура Маркировка Консервация

Печатные платы служат для монтажа на них ЭРЭ с помощью полуавтоматических и автоматических установок и одновре­менной пайки всех ЭРЭ погружением в расплавленный припой или на волне жидкого припоя (ПОС-61). Применение печатных плат позволяет облегчить настройку аппаратуры, исключить возможность ошибок при монтаже, так как расположение про­водников отверстий одинаково на всех платах данной схемы. К печатным платам предъявляется ряд требований по точности расположения проводящего рисунка, по величине сопротивления изоляции диэлектрика, механической прочности и др., предста­вленные в ГОСТ 23752—86. Одним из главных требовании яв­ляется достаточная прочность слоя металлизации в отверстиях и на проводниках для обеспечения способности к пайке, что достигается соответствующим выбором гальванического покры­тия и технологией металлизации, поэтому в производстве печат­ных плат особое внимание уделяется химико-гальваническим процессам.

В соответствии с установившейся терминологией (ГОСТ 23751—86) изготовление печатных плат осуществляется одним из следующих методов: химическим (травление), электро­химическим (полуаддитивным), аддитивным и комбинированным.

Химический метод. Последовательность основных технологи­ческих операций представлена в табл. 137 в двух вариантах: негативным и позитивным способом.

Вариант А назван негативным потому, что для получения за­щитного рельефа методом фотопечати в качестве фотошаблона используется негативное изображение платы, т. е. пробельные места черные, а проводники светлые. Таким образом, проходя­щий через светлые участки поток ультрафиолетовых лучей при
экспонировании полимеризует фоторезист, нанесенный на по­верхность заготовки, образуя защитный рельеф.

В варианте Б защита проводящего рисунка при травлении осуществляется металлическим покрытием, поэтому защитный рельеф наносится на пробельные места и, следовательно, при фотопечати получается позитивное изображение плиты.

Электрохимический (полуаддитивный) метод. Исходным мате­риалом служит нефольгированный стеклотекстолит СТЭК-1,5 (ТУ 16-503.201—80). На обе стороны этого материала нанесен адгезионный слой из эпоксидно-каучуковой композиции тол­щиной 50 мкм. Основные операции технологического процесса следующие: резка заготовок; сверление отверстий, подлежащих металлизации; подготовка поверхности; химическое меднение; термообработка; усиление слоя меди гальваническим меднением («затяжка»); нанесение защитного рельефа на пробельные места; гальваническое меднение; гальваническое покрытие сплавом олово—свинец; удаление защитного рельефа; травление меди с про­бельных мест; оплавление.

Другим вариантом технологического процесса является спо­соб дифференциального травления. В этом случае гальваниче­ское покрытие сплавом олово—свинец не наносится, а лишь утол­щается слой гальванически осаждаемой меди до 30—35 мкм. При выполнении операции травления стравливается по 5—7 мкм меди как с проводников, так и с пробельных мест, но проводники сохраняются, имея среднюю толщину 25 мкм.

Операция травления в полуаддитивном процессе характери­зуется очень малой продолжительностью (до 1 мин), так как вы­травливанию подлежит весьма тонкий слой химически осажден­ной меди и усиленной гальванически до толщины 5—7 мкм. При вытравливании такого тонкого слоя меди эффект подтравливания практически отсутствует, что позволяет получать очень узкие проводники (шириной до 0,15 мм) и такой же зазор между проводниками.

Подготавливают поверхность следующим образом. Обезжи­ренную поверхность диэлектрика подвергают химической обра­ботке с целью придания гидрофильности и образования в адге­зионном слое микронеровностей. Обработка ведется в две стадии: 1) набухание в водном растворе диметилформамида (объемное отношение диметилформамида к воде 3:1) в течение 1—3 мин с последующей промывкой; 2) травление в растворе, состоящем из хромового ангидрида (450—500 г/л) и серной кислоты (200—240 г/л); температура травления 50—60 °С, продолжительность 2—5 мин.

Для удаления остатков хромовых соединений с поверхности заготовки производятся следующие операции: промывка, нейтра­лизация в растворе NaOH (5—10%-ном), промывка, нейтрализа­ция в растворе НС1 (50—100 г/л), промывка в воде. В растворе травления хром из шестивалентного состояния восстанавливается

до трехвалентного, а раствор разбавляется водой, вносимой заготовками плат. По достижении концентрации Сr³⁺ до 20 г/л окислительная способность раствора значительно падает, и он подлежит замене или регенерации, которая может быть осуще­ствлена электрохимическим способом (см. гл, 10), Регенерацию постоянным током завершают после того, как содержание Cr³⁺ снизится до 3—5 г/л.

С целью замены пожароопасного диметилформамида пред­ложено операцию набухания проводить в растворе мочевины (500—600 г/л) и аммиака (300 г/л) при рН 9—10 и температуре 50 °С в течение 15 мин. И далее после промывки в горячей и хо­лодной воде травление производить в растворе СrО₃. Для удале­ния продуктов реакции промывку водой чередуют с промывкой в солянокислом растворе гидроксиламина (20 г/л) и щелочном растворе трилона Б. Поверхность адгезионного слоя после тра­вления приобретает равномерный матовый оттенок вследствие создания микрошероховатостей. Имеется опыт замены операции «набухания» на гидроабразивную обработку пульпой, состоящей из воды и белого электрокорунда SiC при давлении воздуха 0,5—0,6 МПа с последующим травлением в растворе состава, г/л: хромовый ангидрид — 60, серная кислота — 220. Темпера­тура раствора t = 45÷50°C, время обработки 5 мин.

В этом варианте представляется возможным значительно снизить потребление хромового ангидрида, что значительно сни­жает затраты на материалы, а также упрощает обработку сточ­ных вод и снижает вредность.

Комбинированный метод. Этот метод изготовления печатных плат сочетает в себе два основных процесса: металлизацию отвер­стий химико-гальваническим способом и получение проводящего рисунка на последнем этапе производства методом травления. По этой причине его относят к субтрактивным способам произ­водства печатных плат.

Учитывая, что при выполнении операции получения защитного рисунка используется фотошаблон в виде позитивного изобра­жения, данный способ называют иногда позитивным в отличие от так называемого негативного метода, который теперь почти не применяется.

Наиболее перспективным является изготовление печатных плат по так называемому базовому технологическому процессу. Основными операциями процесса являются резка заготовок и подготовка поверхности фольги; сверление отверстий, подлежа­щих металлизации; химическое меднение; усиление слоя меди до 5—7 мкм гальваническим меднением («затяжка»); нанесение защитного рельефа на пробельные места; гальваническое медне­ние; гальваническое покрытие сплавом олово—свинец; удаление защитного рельефа; травление меди и осветление покрытия; оплавление покрытия олово—свинец; обрезка по контуру; мар­кировка, консервация, упаковка.

При изготовлении печатных плат с повышенной плотностью монтажа исходным материалом служит стеклотекстолит, фольгированный очень тонкой медной фольгой (толщиной 5 мкм). Мед­ная фольга защищается от возможных повреждений при хранении, транспортировке и сверлении отверстий медным или алюминиевым листовым протектором толщиной 50—75 мкм. Материал марки СТПА поставляется по ТУ 16-503-200—80. После сверления отверстий в заготовке протектор отделяется от поверхности 1 фольги и укладывается в отдельную тару для последующей сдачи предприятиям цветной металлургии как вторичное сырье.

Заготовка подвергается химической и гальванической металли­зации («затяжке») и другим операциям, приведенным выше. Продолжительность операции травления уменьшается в 5 раз, так как толщина слоя меди, подлежащего вытравливанию, со­ставляет 10—12 мкм вместо 40—50 мкм в случае применения обычных фолыированных диэлектриков. В результате этого эффект бокового подтравливания практически исключается и достигается возможность получения узких проводников шириной до 0,15 мм и таких же зазоров между ними. Технологический про­цесс изготовления двусторонних печатных плат комбинирован­ным методом из материала СТПА обеспечивает повышенную плотность монтажа (класс 4 по ГОСТ 23751—86).

Данный метод в течение многих лет его применения не пре­терпел особых изменений и остается основным способом производства высоконадежных печатных плат. Технологический процесс полностью оснащен высокопроизводительным оборудованием и может осуществляться с различным уровнем автоматизации производства. .

Дальнейшее развитие технологии производства печатных плат связано с увеличением плотности монтажа, которое повлечет за собой уменьшение ширины проводников и зазоров между ними до 0,1—0,05 мм. Диаметр переходных отверстий уменьшится до 0,15—0,2 мм. Для обеспечения этих требований возникает необходимость применения лазерной техники при изготовлении фотошаблонов, освоения метода «Левельэр» для горячего оловянирования. Метод «Левельэр» (от англ. Levelair — выравнивание воздухом) дает возможность получить очень тонкий (5—8 мкм) слой покрытия сплавом олово—свинец без образования «мости­ков» между проводниками.

С целью экономии припоя и достижения ряда других пре­имуществ при выполнении монтажно-сборочных работ на гото­вую плату предусматривается наносить паяльные маски с исполь­зованием сухого пленочного фоторезиста (СПФ-защита) или фото­чувствительных лаков. Особенностью этого процесса является необходимость удаления металлорезиста (сплава О—С), который не обеспечивает необходимую адгезию маски с металлом; ого­ленную медь даже оксидируют для увеличения прочности сцепле­ния маски с проводником

Таблица 138. Последовательность заключительных операций при изготовлении печатных плат

Традиционный процесс	Новый процесс
Меднение гальваническое Гальваническое покрытие сплавом ПОС-60 Удаление фоторезиста Травление меди Осветление покрытия Оплавление покрытия Нанесение паяльной маски (сеткография)	Меднение гальваническое Гальваническое покрытие оловом или свинцом Удаление фоторезиста Удаление меди Удаление оловянного или свинцового покрытия Оксидирование (чернение) медных проводников Нанесение паяльной маски (СПФ-защита) Удаление оксидного слоя (с контактных площадок и отверстий) Горячее оловянирование («Левельэр»)

Этот процесс получит особое развитие при переходе на поверх­ностный монтаж, когда пайка выводов микросборок, а также вы­водов от бескорпусных кристаллов осуществляется непосред­ственно на контактные площадки переходных отверстий. Монтаж­ные отверстия в таких платах отсутствуют. В табл. 138 пред­ставлены последовательности операций традиционного базового и нового вариантов, начиная от операции гальванического мед­нения.

Для нанесения временного металлического покрытия оловом или свинцом толщиной 5—8 мкм рекомендуются электролиты, приведенные в гл. 6. Покрытия оловом можно производить из сульфатных растворов и отказ от применения борфтористых или кремнефтористых электролитов значительно облегчит решение проблем по очистке сточных вод от фторсодержащих компонен­тов и уменьшит ассортимент используемых материалов.

Малые отверстия в платах (диаметром 0,15 мм) нуждаются в особо тщательной очистке для обеспечения качества металли­зации, выполнение которой очень затруднено. Трудность заклю­чается в том, что скорость потока жидкостей через отверстия 0,2 мм по отношению к отверстиям диаметром 0,6 мм снижается на 98% при прочих равных условиях.

Аддитивный метод. Аддитивный метод изготовления плат предусматривает получение проводящего рисунка на меди, оса­жденной химическим способом толщиной 25—30 мкм (толсто­слойное химическое меднение).

Слой меди должен удовлетворять следующим требованиям: плотность 8,8—8,9 г/см³, чистота меди 99,0—99,9%, удельное электрическое сопротивление не более 0,0186 Ом∙мм и эластич­ность, характеризующаяся величиной относительно удлинения ε = 4÷6%. Прочность сцепления меди с адгезионным слоем диэлектрика должна соответствовать ГОСТ 23752—86 и составлять не менее 0,04 Н/3 мм.

Основные преимущества аддитивного метода: уменьшение количества операций и соответственно производственных площадей и оборудования; высокая равномерность слоя осажденной меди независимо от соотношения толщины платы к диаметру отверстий (возможно 10 : 1); высокая плотность монтажа, допускающая возможность создания зазоров между проводниками и ширину их до 0,1 мм; снижение расхода материалов вследствие отсутствия травления, а медь расходуется только на образований проводников; возможность исправления дефектных плат после стравливания меди и повторной металлизации.

Технологические процессы изготовления печатных плат предусматривают применение диэлектрика с введенным в его состав катализатором процесса химического меднения. Таким диэлектриком служит диэлектрик марки СТАП (М) по ТУ ОЯЩ.503.041—78; К основным операциям технологического процесса относятся резка заготовок; сверление отверстий; подготовка поверхности; получение защитного рельефа; химическое меднение предварительное и толстослойное; удаление защитного рельефа.

Изготовление многослойных печатных плат. Многослойные печатные платы изготавливаются в основном методом сквозной металлизации. Другие способы межслойного соединения применяются очень редко и поэтому не предусмотрены нормативной технической документацией (ГОСТ 23761—79). Технологический процесс изготовления МПП состоит из трех основных этапов: подготовка слоев, прессования и получение проводящего ри­сунка.

На заготовках из тонких фильтрованных диэлектриков, например марок СТФ-1 или СТФ-2, химическим способом получают проводящий рисунок, используя жидкие или сухие пленочные фоторезисты, а также офсетную печать или сеткографию. Приме­нение жидких фоторезистов более экономично. В качестве травителя могут быть использованы различные по типу растворы: кислые иди щелочные. После вытравливания меди наблюдается нежелательная деформация сжатия диэлектрика, обусловленная внутренними напряжениями, проявляющими свое действие после удаления частя медной фольги. Для уменьшения этого явления рекомендуется производить термоциклирование материала.

На каждом отдельно взятом слое с проводящим рисунком пробивают базовые (фиксирующие) отверстия, с помощью кото­рых при сборке достигается необходимое совмещение контакт­ных площадок в различных слоях. Количество отверстий устанавливается в зависимости от размеров платы нормативно-тех­нической документацией. Диаметр базовых отверстий 5 мм (5А₃).

Аналогично пробиваются отверстия в листах прокладочной сте­клоткани.

Прокладочная стеклоткань СПТ 3-006 (ТУ 16.503.085—75) представляет собой листы стеклоткани из крученых нитей диа­метром 0,1—0,25 мм, пропитанных эпоксидным лаком ЭД-8. Этот материал находится в недополимеризированном состоянии и его основной характеристикой является время гелеобразования, которое составляет 5—15 мин.

Срок хранения прокладочной ткани 6 мес. По истечении этого срока процессы полимеризации в материале, протекающие само­произвольно, ухудшают его способность к склеиванию при прес­совании многослойных плат. Хранить прокладочную стекло­ткань рекомендуется в охлажденном состоянии.

Для обеспечения высокой прочности сцепления поверхности медных проводников с изолирующими межслойными материалами необходимо придать им микрошероховатость, а еще лучше создать оксидный слой соответствующей химической обработкой или же латунировать поверхность. Микрошероховатость можно создать посредством струйной обработки пемзой с размерами частиц 40 мкм в виде водной суспензии (1 : 4) под давлением 0,49 МПа. Оксидирование производят в растворах, приведенных в гл. 13.

Процесс прессования является одной из наиболее ответствен­ных операций производства МПР. Технические требования к про­цессу и оборудованию представлены в ГОСТ 23361—79. Качество прессования в значительной степени зависит от состояния про­кладочной стеклоткани. Она должна быть хорошо просушена в естественных условиях при влажности менее 50% или с приме­нением влагопоглотителей в камерах под вакуумом.

Режим прессования определяют опытным путем, так как они зависят от качества прокладочной стеклоткани, времени ее хра­нения и других факторов. Правильность выбора режима прессо­вания устанавливают по пробным запрессовкам, при которых определяется процент вытяжки смолы, т. е. отношение массы облоя к массе предварительно взвешенной стеклоткани.

Качество прессования во многом зависит от конструкции, пресса, плиты которого должны быть строго параллельны, а разброс температуры по плитам не превышает 2 °С.

Сборка пакета производится в пресс-форме путем последова­тельной укладки слоев МПП и прокладочной стеклоткани, коли­чество листов которой определяется соответствующей нормативно-технической документацией. Для устранения влияния неровно­стей поверхности пресс-формы, разнотолщинности прокладочных листов на них укладываются листы триацетатной пленки, кабель­ной бумаги и других материалов.

Режим прессования двухступенчатый, постоянная температура 160—170 °С. В первой ступени давление от 0,1 до 0,5 МПа, про­должительность — от 10 до 200 мин в зависимости от времени гелеобразования, характерного для данной партии стеклоткани;

вторая ступень — давление от 2,0 до 3,4 МПа. Оно уточняется для каждой партии стеклоткани на основе результатов анализа при входном контроле. Время выдержки 50—70 мин. Отклонение от установленных режимов ухудшает степень полимеризации. В современных прессах на первом этапе прессования предусмотрено вакуумирование. Для того чтобы удалить пузырьки воз­духа, которые задерживаются в зазорах между проводниками и, расширяясь, отжимают смолу, создавая каверны (пустоты).

После охлаждения пресс-формы и извлечения спрессованного пакета следует обрезка облоя на роликовых ножницах. Получе­ние проводящего рисунка на наружных слоях, а также металли­зация монтажных переходных отверстий производится в основном по вышеприведенной технологии комбинированного метода с до­полнительной химико-механической обработкой стенок отверстий для обеспечения прочного соединения слоя металлизации с тор­цами контактных площадок в отдельных слоях.

Обработка стенок отверстий необходима для того, чтобы очи­стить торцы медных контактных площадок в слоях от размазан­ной эпоксидной смолы при сверлении отверстий. Эта операция осуществляется обычно травлением в 98%-ной серной кислоте. Обработка производится при температуре 35—40 °С в течение 0,5—0,7 мин, при этом глубина травления получается в пределах 15—20 мкм.

Хорошие результаты достигаются обработкой в растворе перманганата калия (КМnО₄), который как сильный окислитель окисляет органические вещества до СО₂, H₂O, восстанавливаясь до MnO₂. Рекомендуется раствор состава г/л: марганцевокислый калий — 40—60; едкое кали КОН — 35—40. Температура рас­твора 70 °С. Продолжительность 25—30 мин. После промывок и сушки платы подвергают гидроабразивной обработке для окон­чательной очистки отверстий от всевозможных загрязнений.

Гидроабразивная обработка производится водной суспензией электрокорунда М40 в соотношении с водой 1 : 4. Суспензия подается под давлением 0,4—0,5 МПа в установке типа «Бласт» (АРСМ 3.190.001).