ИЛЬИН В. А.

ПРЕДИСЛОВИЕ

При изготовлении печатных плат в зависимости от их конструктивных особенностей и масштабов производства применяются различные варианты технологических процессов, в которых используются многочисленные химико-технологические операции и операции механической обработки.

В брошюре рассматриваются оборудование и операции механической обработки, такие как сверление, резка, абразивная очистка поверхности; описываются различные способы получения защитных рисунков схемы: фотохимическая печать, сеткография; представлены условия выполнения операции травления, с помощью которой создается проводящий рисунок в основных производственных процессах.

Особое внимание уделяется в книге технологии электрохимических процессов, применяемых при изготовлении печатных плат, так как они в первую очередь обеспечивают основные качества плат: равномерность осаждения металла, способность проводящего рисунка к пайке, необходимую эластичность слоя металлизации в отверстиях, электропроводность и другие функциональные свойства печатных плат. Для обеспечения указанных качеств металлических покрытий составы приведенных в брошюре растворов и электролитов гальванических ванн несколько отличаются от аналогичных растворов, применяемых в гальванотехнике и описанных в других выпусках библиотечки гальванотехника.

Для многих операций технологических процессов изготовления представлены краткие характеристики оборудования, и средств автоматизации, рекомендованных для производства.

Перечень основных диэлектрических материалов, используемых для изготовления печатных плат, с указанием соответствующих ГОСТ или технических условий дан в приложении к брошюре, эти сведения могут оказаться полезными при выборе материалов для плат.

Для некоторых процессов приведены способы утилизации ценных материалов из отходов производства и, в частности, способы утилизации меди из отработанных травильных растворов.

В пределах небольшого объема настоящей брошюры не представилось возможным с исчерпывающей полнотой дать всю информацию, необходимую, например, при разработке производственных инструкций, однако читатель найдет ответы на многие вопросы, возникающие при внедрении новых технологических процессов. Для облегчения этой задачи в тексте брошюры даны таблицы, характеризующие причины неполадок, возникающих в производстве печатных плат, а также приведены необходимые схемы технологических процессов. Все замечания и пожелания по данной книге просим направлять по адресу: 191065, Ленинград, ул. Дзержинского, 10. ЛО издательства “Машиностроение”.

1. Назначение и способы изготовления печатных плат

Печатная плата представляет собой плоское изоляционное основание, на одной или обеих сторонах которого расположены токопроводящие полоски металла (проводники) в соответствии с электрической схемой.

Печатные платы служат для монтажа на них электрорадиоэлементов (ЭРЭ) с помощью полуавтоматических и автоматических установок с последующей одновременной пайкой всех ЭРЭ погружением в расплавленный припой или на волне жидкого припоя ПОС-60. Отверстия на плате, в которые вставляются выводы электрорадиоэлементов при монтаже, называют монтажными. Металлизированные отверстия, служащие для соединения проводников, расположенных на обеих сторонах платы, называют переходными.

Применение печатных плат позволяет облегчить настройку аппаратуры и исключить возможность ошибок при ее монтаже, так как расположение проводников и монтажных отверстий одинаково на всех платах данной схемы. Использование печатных плат, обусловливает также возможность уменьшения габаритных размеров аппаратуры, улучшения условий отвода тепла, снижения металлоемкости аппаратуры и обеспечивает другие конструктивно-технологические преимущества по сравнению с объемным монтажом.

К печатным платам предъявляется ряд требований по точности расположения проводящего рисунка, по величине сопротивления изоляции диэлектрика, механической прочности и др. (ГОСТ 23752-79). Одним из основных требований является обеспечение, способности к пайке, достигаемое соответствующим выбором гальванического покрытия и технологией металлизации, поэтому в производстве печатных плат особое внимание уделяется химико-гальваническим процессам.

Изготовление печатных плат (ГОСТ 20406-75) осуществляется химическим, электрохимическим или комбинированным способом. В последнее время получили распространение новые способы изготовления — аддитивные. Ниже дана краткая характеристика каждого из способов.

На поверхность медной фольги вначале износится защитный рисунок (рельеф) таким образом, чтобы он защитил проводники при вытравливании меди. Защитный рисунок схемы выполняется стойкими к воздействию травильных растворов материалами. Затем следует операция травления, в результате которой полностью вытравливается медь и создается проводящий рисунок.

В зарубежной практике данный способ называют субтрактивным. Отверстия для установки выводов электрорадиоэлементов (резисторы, конденсаторы и т. д.) сверлятся или штампуются после вытравливания меди и не металлизируются. Пайка выводов электрорадиоэлемеитов производится непосредственно к контактным площадкам печатных проводников, как показано на рис. 1. Химический метод применяется главным образом в производстве плат широковещательной радиоаппаратуры.

Исходными материалами в этом случае служат нефольгированные диэлектрики (приложение 2). Защитный рисунок в отличие от предыдущего метода наносят таким образом, чтобы открытыми оставались те участки поверхности, которые подлежат металлизации с целью образования проводниковых элементов схемы.

Электрохимический способ предусматривает получение металлизированных отверстий одновременно с проводниками и контактными площадками.

Комбинированный способ представляет собой сочетание первых двух способов. Исходным материалом служит фольгированный с двух сторон диэлектрик (приложение 1), поэтому проводящий рисунок получают вытравливанием меди, а металлизация отверстий осуществляется посредством химического меднения с последующим электрохимическим наращиванием слоя меди. Пайка выводов электрорадиоэлементов производится посредством заполнения припоем монтажных отверстий в плате. На рис. 2 показана структура платы, изготовленной комбинированным методом.

Аддитивный метод заключается в создании проводящего рисунка посредством металлизации достаточно толстым слоем химической меди (25—35 мкм), что позволяет исключить применение гальванических операций и операции травления. Исходным материалом при этом служит нефольгированный диэлектрик. Исключение вышеуказанных операций позволяет существенно уменьшить ширину проводников и зазоры между ними, что, в свою очередь, обеспечивает возможность увеличить плотность монтажа на платах. Кроме того, как показал опыт, применение этого метода на ряде фирм США способствует снижению стоимости плат на 15—20 %, а также расходов химикатов, сокращению производственных площадей и состава оборудования. До 10 % плат, производимых в Европе и США, изготавливаются по аддитивному методу. Более широкому его распространению препятствуют патентные ограничения.

2. Химический способ изготовления плат

Последовательность основных технологических операций представлена в табл. 1.

Вариант А назван негативным потому, что для получения защитного рельефа методом фотопечати в качестве фотошаблона используется негативное изображение проводящего рисунка платы, т. е. пробельные места черные, а проводники — оптически прозрачные. 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 используется позитивное изображение платы.

Вариант А наиболее распространен в производстве плат бытовой радиоаппаратуры, он характеризуется минимальной трудоемкостью и возможностью автоматизации всех операций. В качестве метода получения защитного рельефа при этом используется наиболее дешевый в массовом производстве способ трафаретной печати — сеткография — с применением краски, полимеризующейся с помощью ультрафиолетового облучения. Для выполнения основных операций технологического процесса создана автоматическая линия модульного типа, в которой предусмотрены следующие операции: трафаретная печать, сушка краски, травление, промывка, удаление краски и сушка готовой платы. Линия рассчитана на производство 800 тыс. плат в год, размер заготовок 500X500 мм.

Химико-механическая подготовка поверхности фольги может производиться также на автоматической линии ГГМ 1.240.006. Защитная маска из эпоксидной смолы наносится на поверхность платы таким образом, чтобы открытыми были только контактные площадки проводников, которые обслуживаются припоем ПОС-60 при выполнении монтажных операций.

Проводники, защищенные эпоксидным покрытием, облуживанию не подвергаются и этим достигается значительная экономия оловянного сплава. Эпоксидная защитная масса наносится также способом трафаретной печати. Пробивка отверстий обычно производится штамповкой с помощью кривошипных прессов.

По опыту одного из предприятий защита проводников от облуживания при пайке выводов радиоэлементов осуществляется посредством их химического, пассивирования (хроматирования), так как хроматная пленка на меди предотвращает смачивание ее припоем.

Защита контактных площадок от пассивирования достигается путем нанесения на них через сетчатый трафарет маски состава (масс, доли %): канифоль — 100; этиловый спирт — 35; вазелин медицинский — 35.

Пассивирование производится погружением плат на 2-5 с в раствор следующего состава (г/л):

Медный купорос 1—2

Сернокислый цинк 1—5

Серная кислота аккумуляторная 9—11

Хлористый натрий 1—2

Защитная маска на контактных площадках служит затем флюсом при пайке на волне припоя.

Главным преимуществом данного метода является исключение из технологии операции нанесения маски из эпоксидной смолы, представляющей большую профессиональную вредность.

Вариант Б применяется весьма редко и ограничивается обычно изготовлением полосковых плат. В качестве гальванического покрытия при этом служит серебро с толщиной слоя 9—12 мкм.

Платы с односторонним или двусторонним расположением проводников без металлизации отверстий могут быть изготовлены способами штамповки, переноса а также нанесения токопроводящих красок (паст).

Способ штамповки рекомендован для массового производства, при этом в качестве основания служит любой диэлектрик, в том числе и картон. Медная фольга толщиной 35 мкм, смотанная в рулон, с одной стороны покрыта адгезионным слоем. Этим слоем фольга накладывается на диэлектрик, при штамповке вырубка проводников комбинируется с их прижимом к диэлектрику. Ненужная часть фольги удаляется.

Затем платы подвергаются нагреву в прессованном состоянии для полимеризации адгезионного слоя с целью получения прочного сцепления проводников с основанием. Метод эффективен для плат массового производства с относительно простой схемой проводников.

Операция травления не применяется, поэтому медь расходуется по прямому назначению, а отходы меди используются для переплавки. Данный способ — самый дешевый по расходу материалов и наименее трудоемкий.

Способ переноса заключается в получении проводящего рисунка на временном металлическом основании и затем переноса его на диэлектрик.

В качестве временного основания служит пластина из коррозионно-стойкой стали типа 18ХН9Т. На пластине получают защитный рисунок, как и при позитивном процессе, т. е. пробельные места закрыты фоторезистом или краской. Затем пластину подвергают гальваническому меднению в кислых электролитах и на ней образуется проводящий рисунок из меди толщиной 35—50 мкм. Фоторезист или краска удаляется, а пластина с проводящим рисунком прижимается к диэлектрику (гетинаксу), на поверхность которого нанесен клеевой слой.

Проводящий рисунок легко отделяется от поверхности коррозионно-стойкой стали и приклеивается к диэлектрику вследствие очень слабого сцепления электроосажденной меди с коррозионно-стойкой сталью. Как и в предыдущем случае, платы подвергаются нагреву в прессованном состоянии для полимеризации клеевого соединения.

Метод переноса целесообразен в условиях опытного и мелкосерийного производства при отсутствии очистных сооружений и условий для утилизации меди из травильных отходов. Технологический процесс представляет собой пример безотходной технологии.

Способ получения проводящего рисунка с помощью электропроводных красок или паст еще не получил широкого применения в промышленности из-за отсутствия соответствующих материалов необходимого качества, однако он является весьма перспективным и экономичным для получения плат широковещательной аппаратуры.

3. Электрохимический способ получения печатных плат

Этот способ осуществляется посредством следующих основных операций: резки заготовок, сверления отверстий, подлежащих металлизации; подготовки поверхности; химического меднения; усиления меди гальваническим меднением; нанесения защитного рельефа на пробельные места; гальванического меднения; гальванического покрытия сплавом олово—свинец; удаления защитного рельефа; травления меди с пробельных мест.

Таким образом, технологический процесс изготовления печатных плат электрохимическим (полуаддитивным) способом освобождает от необходимости применять фольгированные медью диэлектрики и обеспечивает повышенную плотность монтажа на платах, что обусловливает возможность в ряде случаев заменить сложные в производстве многослойные печатные платы на двусторонние. Ниже приведены характеристики отдельных операций и условия их выполнения.

Заготовки из стеклотекстолита режутся с учетом технологических полей на одноножевых или многоножевых ножницах. На технологическом поле сверлятся фиксирующие отверстия в соответствии с рекомендациями, изложенными в гл. 2.

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 микрошероховатости.

Сверление отверстий, подлежащих металлизации, осуществляют с помощью твердосплавных сверл, по технологии, указанной в гл. 2.

Операции химического меднения предшествует обезжиривание в щелочных растворах с добавками ПАВ, а затем активация в совмещенном растворе и химическое меднение в одном из растворов, приведенных в гл. 4.

Рекомендуется заготовки плат перед активацией промывать в растворе соляной кислоты (50 г/л) во избежание разбавления раствора-активатора водой.

Усиление меди гальваническим меднением лучше производить в ваннах без добавок блескообразователей в любых электролитах. Толщина слоя меди при этом должна составлять 5—7 мкм.

Последующие операции технологического процесса: нанесение защитного рельефа, гальваническое меднение, гальваническое покрытие сплавом олово-свинец, удаление защитного рельефа и травление меди с пробельных мест, осуществляют в соответствии с рекомендациями, приведенными в гл. 4—6 настоящей брошюры.

Существует несколько видоизмененный процесс, названный дифференциальным травлением. В этом процессе нет операции гальванического покрытия сплавом олово-свннец, которое служит металло-резистом, а при травлении тонкого слоя меди с пробельных мест одновременно вытравливается 5—7 мкм меди с проводящего рисунка. Для того чтобы сохранить заданную техническими условиями толщину проводника, при гальваническом меднении увеличивают толщину меди на 7—10 мкм с учетом вышеуказанного травления металла.

В производственной практике встречаются другие разновидности технологического процесса, отличающиеся от приведенного выше, но в настоящее время они применяются редко, например при изготовлении полосковых плат из нефольгированных диэлектриков. Характерной особенностью этих процессов является применение жидких фоторезистов, которые наносятся па плату до сверления металлизируемых отверстий.

Одним из вариантов электрохимического (полуаддитнвного) процесса является так называемый “тентинг-процесс”. В этом варианте заготовка печатной платы, в которой просверлены отверстия, металлизируется полностью химическим, а затем — гальваническим меднением с толщиной слоя 25—30 мкм. Далее с помощью сухого пленочного фоторезиста толщиной 40—60 мкм и фотошаблона-негатива получается защитный рисунок из пленки фоторезиста, перекрывающей все отверстия и защищающей их от попадания травильного раствора. Как и в обычном химическом методе, проводящий, рисунок здесь образуется после травления меди. Проводники, контактные площадки и стенки отверстий облуживаются сплавом ПОС-60 горячим способом по методу “Левельэр” или ППВ (покрытие припоем с выглажнваиием). Тентннг-процесс дает хорошие результаты при изготовлении многослойных плат с внутренними переходами из диэлектрика, обе стороны которого покрыты 5- или 35-микронной медной фольгой.

Дальнейшие операции выполняются в последовательности, описанной выше. В качестве изоляционного слоя лучшие результаты получены нанесением четыре слоев порошковой краски ПЭП-219 с оплавлением каждого слоя при температуре 180 °С.

Подготовка поверхности перед химическим меднением осуществляется следующим образом. После обезжиривания в растворе тринатрийфосфата следует обработка в ацетоне, разбавленным водой в отношении 2:1, в течение 10 мин для повышения гидрофильности поверхности, а затем подтравливание в растворе следующего состава: хромовый ангидрид (30 г/л), серная кислота (650 мл/л) при температуре 5О—60°С с последующей промывкой и нейтрализацией.

Обрабатываемый диэлектрик в виде пленочного материала помещается между алюминиевой пластиной и эпоксистеклотканью, по наружной поверхности которой совершает возвратно-поступательное движение подвижный электрод из четырех цилиндров.

Технологический процесс электрохимической металлизации заготовок при использовании различных пленочных материалов состоит из операций: очистки (обычная), сушки, обработки коронным разрядом активации, обработки в растворе “ускорителя”, химического меднения и гальванического меднения.

Шероховатость поверхности можно создать также гидроабразивной обдувкой, направляя абразивно-водяную пульпу под давлением 0,5-0,6 МПа.

4. Комбинированный способ изготовления плат

В зависимости от метода защиты проводящего рисунка при вытравливании меди комбинированный способ может осуществляться в двух вариантах: негативном, когда защитой от вытравливания служат краска или фоторезист, и позитивном, когда защитным слоем служит металлическое покрытие (металлорезист). Названия эти способы получили от фотошаблона, применяемого при создании защитного рельефа: в первом случае при экспонировании рисунка используется негатив печатной схемы, во втором — позитив. Комбинированный метод изготовления печатных плат применяется рядом предприятий с мелкосерийным производством (табл. 2). Негативный комбинированный способ имеет следующие недостатки:

1. При сверлении отверстий на выходе сверла образуются заусенцы и создаются усилия, направленные на отрыв контактной площадки. Для сохранения контактной площадки в конструкции платы предусматривается увеличение диаметра контактной площадки (ширины пояска) на 0,6—0,8 мм. Это требование приводит к снижению плотности монтажа.

3. В связи с тем, что гальваническая металлизация осуществляется в приспособлениях, закрывающих отверстия с одной стороны, толщина слоя металла в отверстии очень неравномерна; часто имеют место случаи отслаивания металла при перепайке деталей.

4. Процесс предусматривает много ручных операций.

5. Операция покрытия сплавом Розе особенно токсична из-за выделения продуктов, содержащих свинец и кадмий.

Недостатком позитивного комбинированного способа является нестойкость фоторезистов на основе поливинилового спирта при выполнении двукратной гальванической обработки, что создает большие трудности в производстве (зачистка, ретушь и т. п.).

К недостаткам обоих способов можно отнести следующие.

1. Разрыв технологического процесса из-за применения ручной операции лакировки, требующей высокой квалификации маляра.

2. Сверление через лаковую пленку ухудшает стойкость, сверл.

3. Жидкие фоторезисты создают защитный рисунок толщиной не более 12 мкм, тогда как гальваническое осаждение меди и покрытия производится на толщину от 30 до 60 мкм (и более). В результате этого металл нарастает за пределы рисунка проводящего слоя и это “разрастание” приходится срезать скальпелем, что связано с большими затратами труда.

4. Удаление заусенцев после сверления осуществляется зенкованием, что увеличивает трудоемкость сверления.

Оба способа характеризуются значительной трудоемкостью, так как в технологических процессах имеется много ручных операций, поэтому они могут использоваться лишь в условиях опытного и мелкосерийного производства. Наиболее перспективным является позитивный способ, осуществляемый по так называемому базовому технологическому процессу, структура которого аналогична вышеизложенному полуаддитивному процессу. К основным операциям процесса можно отнести резку заготовок и сверление отверстии, подлежащих металлизации; подготовительные операции; химическое меднение; утолщение слоя меди до 5—7 мкм гальваническим меднением; нанесение защитного рельефа на пробельные места; гальваническое меднение; гальваническое покрытие сплавом олово—свинец; удаление защитного рельефа; травление; обрезку по контуру, Оплавле-ние покрытия олово—свинец; маркировку, консервацию, упаковку.

Процесс обеспечивает получение зазоров между проводниками и ширину проводников до 0,2 мм.

Подготовительные операции перед химическим меднением заготовок плат с просверленными отверстиями могут осуществляться в двух вариантах: 1) механическая зачистка с целью удаления заусенцев и дефектов на поверхности фольги в сочетании с химическими операциями; 2) электролитическое полирование. Последовательность операций для обоих вариантов представлена в табл. 3, где знаками плюс и минус обозначена применяемость операции.

Ниже даны основные характеристики отдельных подготовительных операций.

Химическое обезжиривание осуществляется в растворе следующего состава (г/л):

Тринатрийфосфат 30—35

сода кальцинированная 30—35

препарат ОС-20 3—5

В том случае, когда раствор используется в установках струйной обработки, в него вводится пеногаситель, например эмульсия КЭ-10-21 (1—2 г/л). Температура раствора 40—60 °С, продолжительность обработки 2—5 мин.

Подтравливание медной фольги производится в растворе, содержащем 200—250 г/л надсернокислого аммония и 5—7 г/л серной кислоты.

Промывки в холодной и горячей воде осуществляются в ваннах с проточной водой. С целью значительного снижения расхода воды рекомендуется устанавливать двухступенчатые ванны каскадного типа.

Электролитическое полирование заключается в анодной обработке заготовок, в результате которой растворяются заусенцы, образующиеся при сверлении, а на поверхности фольги создается оксид-ный слой, препятствующий осаждению меди на поверхности заготовки при химическом меднении. Выполнение этой операции после активироваиия позволяет удалить с поверхности адсорбированный слой палладия, который при этом растворяется вместе с медью, что также препятствует химическому осаждению меди на фольгу

Электролитом служит раствор ортофосфорной кислоты (1140— 1170 г/л) с добавлением 70—100 мл/л бутилового спирта (бутанол)

Катодами в ванне служат листы из меди или коррозионно-стойкой стали, помещенные в чехлы из хлорииовой ткани. Отношение поверхности катода к поверхности анода (заготовки плат) должно быть от 3 : 1 до 5 : 1.

Продолжительность операций 15—20 мин. На катодной поверхности вначале выделяется водород, но затем, по мере накопления в электролите меди, начинается ее осаждение в виде порошка. Увеличением катодной поверхности можно добиваться получения меди в виде пленки, которая легко снимается с поверхности катода.

Используя комбинированный метод, можно изготавливать платы с повышенной плотностью монтажа. В этом случае исходным материалом служит стеклотекстолит, фольгированный очень тонкой медной фольгой (толщина фольги 5 мкм). Медная фольга защищается от возможных повреждений, при хранении, транспортировании и сверлении отверстий медным или алюминиевым листовым протектором толщиной 50—75 мкм. Материал с медным протектором получил название “Слофадит”, а с алюминиевым протектором — СТПА. После сверления отверстий в заготовке и операции химического меднения протектор отделяется от поверхности фольги и укладывается в отдельную тару для последующей сдачи предприятиям цветной металлургии как вторичное сырье. Заготовка подвергается гальванической металлизации (“затяжке”) и другим операциям, приведенным выше.

Продолжительность операции травления уменьшается в 5 раз, так как толщина слоя меди, подлежащая вытравливанию, составляет 10—12 мкм вместо 45—50 мкм в случае применения обычных фольгированных диэлектриков. В результате этого эффект бокового подтравливання практически исключается и достигается возможность получения узких проводников шириной до 0,15 мм и таких же зазоров между ними, что характерно для плат, изготавливаемых по полуаддитивной технологии.

Технологический процесс изготовления двусторонних печатных плат комбинированным методом из материала типа “Слофадит” обеспечивает повышенную плотность монтажа (класс 3 по ГОСТ 23751—79), что позволяет во многих случаях многослойные платы в 6—8, слоев заменить на двусторонние.

Структура многослойной платы представлена на рис, 4. Технологический процесс изготовления МПП состоит из трех основных этапов: 1) подготовки отдельных слоев; 2) сборки пакета и прессования; 3) получения проводящего рисунка на наружных слоях.

На заготовках из тонких фольгированных диэлектриков, например марок СТФ-1 или СТФ-2 (приложение 3), химическим методом получают проводящий рисунок, используя жидкие или сухие пленочные фоторезисты. В качестве травителя могут быть использованы различные по типу растворы: кислые или щелочные, представленные в гл. 6 настоящей брошюры. При выборе раствора следует остановиться на том составе, который принят для основного процесса, т. е. аммиачно-хлоридиого, так как нецелесообразно в производственных условиях иметь два различных состава. После вытравливания меди наблюдается нежелательная деформация сжатия диэлектрика, обусловленная внутренними напряжениями, проявляю щими свое действие после удаления части медной фольги. Величина этих деформаций зависит от характера проводящего рисунка и она минимальна в случае применения диэлектриков, фольгированных медью с двух сторон.

Вначале на каждом технологическом поле отдельно взятого слоя с проводящим рисунком пробиваются базовые или фиксирующие отверстия, с помощью которых при сборке достигается хорошее совмещение контактных площадок по вертикали. Количество отверстий устанавливается в зависимости от размеров платы нормативно-технической документацией и доходит до 10.

Для выполнения данной операции предназначена установка совмещения и штамповки базовых отверстий. Установка рассчитана на заготовки плат с максимальным размером 500Х500 мм и минимальным - 200X200 мм. Шаг перемещения стола — 10 мм. Точность базирования ±0,05 мм. Диаметр базовых отверстий — 5 мм. Аналогичные отверстия пробиваются в листах прокладочной стеклоткани СП.

Прокладочная стеклоткань представляет собой листы стеклоткани из крученых нитей диаметром 0,1—0,25 мм, пропитанной эпоксидным лаком ЭД-8-Х. Этот материал находится в недополимернзованном состоянии и имеет следующий состав (масс, доли, %): летучие — 0,3—1,2; связующие—45—52; растворимые смолы — 85—100. Время гелеобразования — 5—15 мин, срок хранения прокладочной стеклоткани — 6 мес. По истечении этого срока процессы полимеризации в материале, протекающие самопроизвольно, ухудшают его способность к склеиванию при прессовании многослойных плат.

Для обеспечения высокой прочности сцепления поверхности медных проводников с изолирующими межслойными материалами необходимо придать им микрошероховатость, а еще лучше создать оксидный слой соответствующей химической или струйной обработкой растворами травителей состава (г/л):

NH₄Cl 145—150

H₂SO₄ 5—7

Температура раствора — до 60 °С. Для выполнения этой операции выпускается установка в виде линии химической подготовки слоев перед прессованием. Линия модульной конструкции имеет в своем составе отдельные модули для подтравливания, промывок и сушки заготовок. Скорость конвейера регулируется и этим обеспечивается необходимая производительность и качество обработки.

Сборка пакета производится в пресс-форме путем последовательной укладки отдельных слоев МПП и прокладочной стеклоткани, количество листов которой определяется соответствующей нормативно-технической документацией, например три листа толщиной 0,025 мм для односторонних слоев. При сборке пакета необходимо обращать внимание на правильное ориентирование нитей стеклоткани. Для устранения влияния неровностей поверхности пресс-формы, разнотолщинности прокладочных листов и т. п. на них укладываются листы триацетатной пленки, кабельной бумаги и других материалов.

Прессование происходит при постоянной температуре (160— 170 °С) в две ступени: первая — при давлении 0,1—0,5 МПа, продолжительности ее —от 10 до 200 мин в зависимости от времени гелеобразования, характерного для данной партии стеклоткани; вторая — при давлении от 2 до 3,4 МПа. Давление уточняется для каждой партии стеклоткани на основе результатов анализа при входном контроле. Время выдержки 50—70 мии. После охлаждения пресс-формы и извлечения спрессованного пакета следует обрезка облоя на роликовых ножницах.

Для обеспечения хорошего качества МПП необходимо следить за состоянием помещения. Температура воздуха в помещении должна быть в пределах 23—25 °С, относительная влажность — не более 40%. Помещение должно быть обеспылено, так как попадание пылинок при сборке вызывает образование различных дефектов в МПП.

Получение проводников, а также металлизация монтажных и переходных отверстий производится в основном по вышеприведенной технологии комбинированного метода с дополнительной химико-механической обработкой стенок отверстия для обеспечения прочного сцепления слоя металлизации с торцами контактных площадок в отдельных слоях. В результате химико-механической обработки создается ступенчатый рельеф на стенках отверстий, который показан на рис. 5. Кроме того, при этом медные торцы контактных площадок хорошо очищаются от эпоксидной смолы, наволакиваемой на них в процессе сверления, а обнаженные нити стеклоткани становятся слегка шероховатыми.

3. Двукратная промывка в проточной воде с интенсивным покачиванием плат.

4. Сушка теплым воздухом.

5. Гидроабразивная обдувка вторичная.

6. Промывка в проточной воде.

7. Промывка с наложением ультразвуковых колебаний.

Применяя базовую технологию производства МПП, можно получить гибко-жесткую конструкцию плат. В этом случае гибкий общий для двух плат слой изготавливается методом травления фольгированного полиимида (приложение 4).

Сборка пакета и прессование всех элементов конструкции производятся одновременно.

С помощью металлизированных отверстий достигаются межслойные соединения в том числе и соединения с проводниками гибкого слоя.

5. Аддитивный способ изготовления плат

Основные преимущества аддитивного метода следующие: уменьшение количества операций и соответственно производственных площадей и оборудования; равномерность слоя осажденной меди при соотношении толщины платы к диаметру отверстий 10 : 1; высокая плотность монтажа, допускающая возможность создания зазоров между проводниками и ширину их до 0,1 мм; снижение расхода материалов вследствие отсутствия травления; возможность использования для химической металлизации солей меди из травильных отходов; возможность полного исправления дефектных плат после стравливания меди и повторной металлизации.

Технологические процессы изготовления печатных плат определяются типом исходного материала и могут быть представлены в трех вариантах:

1) из диэлектрика с введением в его состав катализатором процесса химического меднения; 2) на материале СТЭФ-1 с покрытием каталитической эмалью; 3) из диэлектрика для полуаддитивной технологии.

1. Исходным материалом для плат служит диэлектрик марки СТАМ по ТУ ОЯЩ.503.041—78. Основными операциями технологического процесса являются резка заготовок; сверление отверстий; получение защитного рельефа; подготовка поверхности; химическое меднение, предварительное и толстослойное.

Операции механической обработки выполняются в соответствии с рекомендациями, данными в гл. 2.

Получение защитного рельефа осуществляется с помощью сухого пленочного фоторезиста СПФ-2.

Предварительное химическое меднение производится в тартратном растворе (табл. 8) в течение 15—20 мин. Перед толстослойным меднением следует термообработка тонкого слоя химически осажденной меди при 100 °С в течение 1—2 ч. Толстослойное химическое меднение проводится в трилонатном или тартратном растворе.

Основные операции технологического процесса следующие: резка заготовок; сверление отверстий; нанесение эмали ЭП-5215 на поверхность и в отверстия; травление; получение защитного рисунка; химическое меднение (предварительное и толстослойное).

Предварительное химическое меднение производится в стандартном растворе, минуя активирование, так как катализатор процесса химического меднения находится в слое эмали. Толстослойное химическое меднение и получение защитного рельефа выполняется аналогично предыдущему варианту.

3. Исходным материалом служит диэлектрик СТЭК или СТЭФ-1-2ЛК (см. приложение 2).

Основными операциями технологического процесса при этом являются резка заготовок; сверление отверстий; подготовка поверхности; активирование; получение защитного рельефа; химическое меднение предварительное и толстослойное.

Существенной особенностью данного технологического процесса является отделение операции активирования от химического меднения, в результате чего химическое восстановление меди происходит на участках, свободных от защитного рисунка, т. е. в отверстиях и на проводниках.

Одним из вариантов аддитивного метода является процесс под названием “фотоформ”, или фотоселективная металлизация. Технологический процесс изготовления печатных плат, разработанный для условий лабораторного или опытного производства, состоит из следующих операций: сверления отверстий в заготовках из материала типа СТЭК или СТЭФ-1-2ЛК; подготовки поверхности диэлектрика (обезжиривание, травление); нанесения фотоактиватора (фотопромотора) и его подсушки экспонированием проводящего рисунка на плату; проявления рисунка в ванне химического меднения; удаления фотоактиватора с незасвеченных мест; толстослойного химического меднения; отмывки плат от остатков электролитов.

Ключевой операцией процесса является нанесение фотоактиваторов на плату. Фотоактиватором при этом служат весьма сложные по составу растворы, в которых содержатся соединения меди или железа. Составы фотоактиваторов еще недостаточно отработаны для производственных условий, однако некоторые нз них рекомендованы в литературных источниках и представляют весьма сложные смеси органических веществ, например следующий состав раствора фотоактиватора: ацетат меди — 15 г; антрахинондисульфокислота — 3 г; вода — 450 мл; глицерин — 30 мл; лимонная кислота — 30 г; хлорное олово — 1 г; поверхностно-активное вещество — 0,25 мл.

Под действием ультрафиолетового света, проходящего через фотошаблон (операция 4), фотоактиватор разлагается и на экспонированных участках образуется едва заметный для глаза проводящий рисунок из продуктов распада фотоактиватора, служащих катализаторами процесса восстановления меди при химическом меднении.

Таким образом, при выполнении операции 5 происходит образование проводящего рисунка из тонкого слоя химически восстановленной меди. Увеличение слоя меди до толщины 25 мкм происходит в ванне толстослойного химического меднения.

Для обеспечения пайки электрорадиоэлементов платы необходимо подвергнуть покрытию сплавом ПОС-60 горячим способом. Обычно принятая техника лужения в данном случае непригодна, так как слой припоя достигает значительной толщины, что может вызвать образование “мостиков” между проводниками. Покрытие необходимо производить по методике, предусматривающей после погружения плат в расплавленный припой обдувку их горячим воздухом с целью выглаживания слоя припоя и удаления его излишков.

Толщина слоя припоя на платах в среднем составляет около 8 мкм.

6. Получение заготовок

Резка заготовок. Печатные платы выпускаются самых различных размеров и конфигураций, изготовление их поштучно влечет за собой большой расход материалов и значительное увеличение трудоемкости производства, поэтому наиболее рационально группировать платы на одну заготовку таким образом, чтобы получить возможность одновременно обработать максимальное количество плат.

Размер заготовок из диэлектрического материала определяют исходя из размеров транспортеров, ванн химической и гальванической обработки, ширины рулонов сухого пленочного фоторезиста, рабочего поля сверлильных станков, сеткографических трафаретов и других габаритных ограничений, обусловленных типом применяемого оборудования, а также с учетом наиболее рационального раскроя диэлектрических и вспомогательных материалов.

При определении размеров заготовок учитывают необходимость наличия технологического поля со всех четырех сторон шириной не более 10 мм (ГОСТ 23662—79) при изготовлении двусторонних и односторонних плат и 30 мм — при изготовлении многослойных печатных плат. Для групповых заготовок ширина технологического поля по периметру принимается 30 мм, а ширина технологического поля между платами не должна превышать 10 мм.

Наиболее употребителен размер заготовок 530X530 мм. Максимальный размер единичной платы 500X500 мм. Получение заготовок выполняется в два приема. Вначале листы диэлектрика режутся и а полосы, а затем полосы режутся на заготовки. В условиях крупносерийного и массового производства заготовки получают вырубкой в штампах на кривошипных прессах.

Разрезка диэлектрических материалов для плат, а также вспомогательных материалов, таких как прокладочная стеклоткань, картон, триацетатная пленка и др., производится с помощью роликовых или гильотинных ножниц.

Предельные отклонения размеров составляют ± 1,5 мм для заготовок, толщина которых более 0,2 мм, для заготовок толщиной менее 0,2 мм ±2,0 мм.

Роликовые или гильотинные ножницы должны обеспечивать возможность разрезки материалов толщиной до 3 мм с точностью ±0,2 мм.

Зазор между режущими кромками ножей должен быть в пределах 0,02—0,03 мм; при большем зазоре образуются трещины, сколы, происходит расслоение материала. Скорость резания 2—10 м/мин. Учитывая, что резанию подвергаются стеклотекстолиты, т. е. материалы, армированные стеклотканью, режущие кромки ножей гильотины или ролики роликовых ножниц должны быть изготовлены из твердых сплавов.

Для получения заготовок можно использовать следующее оборудование: гильотинные ножницы ОА-805; кривошипные ножницы с наклонным ножом (ТУ 2-041-1933—79); ножницы роликовые одноножевые и многоножевые производительностью 360 и 720 заготовок в час. Гильотинные и кривошипные ножницы позволяют резать материал толщиной до 3 мм при максимальной ширине разрезаемого листа 1600 мм. Длина отрезаемого листа по заднему упору 600 мм.

Максимальный размер заготовок 500X500 мм — для одноножевых и в пределах ширины листа — для миогоножевых. Основные технические характеристики роликовых ножниц следующие: толщина разрезаемого материала до 3 мм; скорость резания материала 2—10 м/мин; осевой зазор между роликами 0,02—0,05 мм.

В условиях опытного производства можно производить резку заготовок на станках собственного изготовления, в которых режущим инструментом служат образивные или алмазные круги, имеющие линейную скорость при вращении 40—50 м/с при подаче материала со скоростью 0,4—0,6 м/мин.

Как указывалось выше, в условиях крупносерийного производства заготовки плат из полос материала целесообразно получать штамповкой с помощью кривошипных прессов К 2324 или К 2328. Рекомендуется также пресс КД (ТУ 2-041-684—80). Вырубные штампы следует изготавливать из легированных сталей марок Х12М или Х12Ф.

Заготовки из тонких диэлектриков толщиной до 0,25 мм рекомендуется подвергать термостабилизацин с целью завершения процессов полимеризации смолы. Для этого заготовки помещают в открытую тару и подвергают трем циклам нагрева и охлаждения. Режим одного цикла: до 150 °С в течение 40 мни, выдержка при этой температуре 20 мин, охлаждение до 30 °С в течение 40 мин.

Заготовки диэлектрика для одно- и двусторонних печатных плат подвергают рихтовке, если их деформация составляет более 1 мм иа 100 мм длины. Рихтовка заготовок осуществляется посредством их продвижения между вращающимися стальными валками, зазор между которыми регулируется прижимным устройством.

Получение фиксирующих и технологических отверстий в заготовках. Для точного расположения заготовок печатных плат или отдельных слоев многослойных печатных плат в процессах сверления и совмещения с фотошаблонами на технологическом поле создаются фиксирующие (базовые) отверстия, которые имеют различные диаметры и располагаются асимметрично.

Технологические отверстия (ГОСТ 23662—79), предназначенные для предотвращения смещения заготовок слоев в многослойных платах в процессе прессования (склеивания), размещаются на технологическом поле. Их количество зависит от площади поверхности слоев МПП (табл. 4).

Фиксирующие и технологические отверстия получают сверлением, а при крупносерийном производстве — штамповкой. Процесс сверления предполагает весьма высокие требования к точности расположения отверстий, так как от этого зависит совпадение контактных площадок и других элементов проводящего рисунка в платах всех типов. В связи с этим предельные отклонения расстояний между, центрами просверленных отверстий должны быть следующие: ±0,05 мм при расстоянии до 180 мм, ±0,08 мм при расстоянии от 180 до 360 мм и ±0,1 мм при расстоянии свыше 360 мм.

В многослойных платах предельные отклонения не должны превышать ±0,03 мм. Эти требования могут быть соблюдены, если в сверлильных станках биение сверла не превышает 0,02 мм, а отклонение от перпендикулярности оси шпинделя к базовой поверхности стола составляет не более 0,01 мм. Сверление производят на координатно-расточном или настольных сверлильных станках типов С-106, С-155 или 2М 103П.

При сверлении на настольных сверлильных станках применяют твердосплавные сверла по ГОСТ 4010 — 77. Частота вращения шпинделя 1000 — 1900 об/мин. Сверление производят через кондуктор, также укладывая заготовки плат пакетом до 4,5 мм. После сверления отверстия обрабатывают развертками по ГОСТ 16086 — 70 или ГОСТ 1672—71.

7. Сверление отверстий, подлежащих металлизации

Сверление отверстий, подлежащих металлизации, является одной из важных операций в производстве печатных плат, так как от ее выполнения зависит качество металлизации и точность совмещения проводящих рисунков схемы.

Сверлением создается микрошероховатость поверхности, которая обусловливает хорошие условия для адсорбирования каталитических частиц палладия и соответственно последующее качественное меднение. Диаметр сверла, с помощью которого производится сверление, должен выбираться с учетом толщины слоя металлизации и допуска на сверление.

Расчет номинального диаметра сверла производится по формуле

Предельные отклонения центров отверстий относительно узлов координатной сетки не должны превышать ±0,2 мм, для многослойных печатных плат эта величина принята ±0,1 мм.

В соответствии с ГОСТ 23664—79 шероховатость стенок отверстий не должна превышать 40 мкм. Заполировка, поджог и засаливание поверхности не допускаются.

Сверление необходимо производить цилиндрическими спиральными сверлами, изготовленными из твердого сплава марки ВК8 или В К6М. Твердый сплав состоит из смеси карбидов вольфрама (90—94 %) и карбидов кобальта (5 %).

Для скоростного сверления рекомендуются укороченные сверла по ГОСТ 20686—75. Сверла из углеродистой или легированных сталей совершенно непригодны, так как затупляются после сверления нескольких отверстий.

Геометрия сверла оказывает большое влияние на качество сверления и на стойкость сверла. Выпускаемые промышленностью сверла (рис. 6) имеют следующие основные параметры (... °): главный задний угол — 15—17; вспомогательный задний угол — 30—32; угол при вершине— 100—125.

Увеличенный против нормы угол при вершине влечет за собой увеличение осевого отклонения сверла вследствие „скольжения"; при очень малом угле имеет место осевое отклонение внутри материала.

Спиральные канавки должны быть хорошо отшлифованы для облегчения выхода стружки из зоны сверления.

Режим сверления

Частота вращения, тыс. об/мин. 10—90

Скорость резания, м/мин. 70—150

Скорость резания для МПП, м/мин. 40—70

Подача, мм/об. 0,02—0,07

Подача при сверлении МПП, мм/об. 0,02—0,05

При малых подачах происходит разрыхление стеклянных нитей, при больших — оплавление и расслоение материала. Отклонение от режимов сверления и затупление режущих кромок обусловливают ряд дефектов, приведенных в табл. 5.

Переточка сверл обычно производится после сверления 1000— 1500 отверстий, в отдельных случаях эта операция производится после сверления 3000 отверстий. После трехкратной переточки сверла заменяются новыми, а старые можно использовать для сверления менее ответственной продукции.

В производстве многослойных плат встречается такой дефект как чрезмерное наволакивание смолы на торцы контактных площадок [4]. Это происходит в результате разогрева зоны сверления до температуры выше 250 °С. Смола сильно размягчается, и происходит ее карбонизация, вследствие чего она становится устойчивой к воздействию серной кислоты и не растворяется при выполнении операции травления диэлектрика. Разогрев происходит из-за больших затруднений по выходу стружки вдоль канавок сверла. Темно-коричневый цвет стружки — признак чрезмерного разогрева сверла. Обнаружить подобное наволакнвание можно смачивая торцы 10%-ным раствором полисульфида натрия. Почернение меди свидетельствует об отсутствии наволакивайня.

Глубокие и чистые канавки сверла в сочетании с острыми режущими кромками — необходимое условие качественного сверления МПП.

Сверление заготовок необходимо производить с подкладкой из гетинакса тощнной 0,8—1,5 мм. Можно в качестве подкладки использовать последнюю заготовку, засверливая ее на 1/2 толщины, а затем используя ее первой в следующем пакете заготовок. При сверлении заготовок слоев многослойных плат рекомендуется применять подкладки с обеих сторон.

При сверлении плат пакетом поступают таким образом, чтобы толщина пакета была менее длины канавки сверла, что обеспечивает возможность выхода стружки. Обычно пакет состоит из 4—5 заготовок. Отверстия диаметром 2,5 мм и более сверлятся в два приема: вначале сверлится отверстие сверлом 1.5—1,8 мм, а затем оно рассверливается сверлом большего диаметра.

Сверление отверстий в заготовках печатных плат производится с помощью станков с программным управлением, обеспечивающих достаточно высокую производительность и точность.

Станки должны удовлетворять следующим требованиям: частота вращения шпинделя должна быть не менее 10000 об/мнн, подача шпинделя — не более 0,1 мм/об, отклонения от перпенднкурярностн оси шпинделя к базовой поверхности — менее 0,1 мм, биение сверла — менее 0,02 мм, усиление прижима вокруг обрабатываемого отверстия 1,5—2,0 МПа, точность перемещения по координатам не более ±0,05 мм, скорость движения воздуха в патрубке отсасывающего устройства — не менее 25 м/с.

Перечисленным выше требованиям удовлетворяет ряд конструкций станков отечественного производства, в том числе представленных в табл. 6.

Кроме станков с программным управлением применяются станки с ручным управлением типов КД-10 (станок с оптическим проектором) н КД-09 (станок с щуповым устройством).

В практике предприятий применяются импортные станки с ЧПУ (табл. 7).

Прижимные втулки защищают сверло от изгибов и гарантируют вход сверла под прямым углом, что особенно важно для МПП.

Заусенцы, образующиеся при сверлении, обычно удаляют механической зачисткой или электрохимическим полированием. Механическая зачистка поверхности фольги позволяет также удалять различного рода загрязнения, окислы, мелкие царапины, забоины.

Зачистка может осуществляться различными способами: шлифовальными кругами как эластичными, так и на жесткой связке; металлическими и неметаллическими щетками; пемзой; абразивной суспензией и т. п.

Наибольшее распространение в отечественной практике получила механическая зачистка с помощью вращающихся дисков из объемно-шлифовального полотна, в котором распределены абразивные материалы различной зернистости.

Диски из объемно-шлифовочиого полотна толщиной 6 мм выпускаются по ТУ 2-036-755—78, диски типа „Акрол" — по ТУ 476-651—79. Наружный диаметр дисков — 120—125 мм, внутренний 30—32 мм. В сжатом виде круги или диски имеют толщину 3 мм. В установке для зачистки АРСМ 3.190.001 имеется четыре валика по два с каждой стороны, между которыми по конвейеру проходят заготовки. На валики монтируются шлифовальные круги по 200 шт. на каждый валик. Частота вращения валиков до 1000 об/мии. Скорость конвейера от 0,2 до 2,0 м/мии. Установка вмонтирована в состав линии для химико-механической подготовки поверхности заготовок печатных плат ГГМ 1.240.006.

На линии выполняются следующие операции: загрузка заготовок на конвейер, зачистка шлифовальными кругами, промывка водопроводной водой (под высоким давлением), визуальный контроль качества зачистки, обработка 50 %-иым раствором соляной кислоты, промывка водопроводвой водой, сушка воздухом, разгрузка заготовок с конвейера.

К числу механических способов зачистки относят также гидроабразивиую обдувку заготовок, используемую для удаления с поверхности фольгированного диэлектрика окисных пленок, заусенцев, а также смолы, с торцов контактных площадок, наволакиваемой в процессе сверления.

8. Штамповочные операции и обработка по контуру

Штамповочные операции широко применяются в производстве печатных, плат главным образом при выпуске массовой продукции в виде односторонних плат из гетинакса и в крупносерийном производстве двусторонних и многослойных печатных плат.

Давление прижима составляет 6—10 МПА при толщине материала до 1 мм, 10—15 МПа при толщине материала от 1 до 2 мм, 15—20 МПа при толщине материала более 2 мм.

Непараллельность между плоскостью прижима и зеркалом матрицы должна быть не более 0,03 мм на 100 мм. Зазор между пуансоном и матрицей в пределах 0,02—0,03 мм.

Штамповка заготовок из стеклотекстолита и вырубка плат по контуру производится вырубными штампами аналогичной конструкции. Поверхностные сколы, ореолы, трещины вокруг отверстий и по периметру печатных плат обусловливаются завышенной скоростью штамповки, плохим состоянием режущих кромок и отклонениями в величине зазора между пуансоном и матрицей. Допустимые значения указанных деффектов по ГОСТ 2366—79 представлены в табл. 8.

При изготовлении многослойных печатных плат важное значение имеет точность совмещения контактных площадок в различных слоях по оси металлизированных отверстий. Необходимая точность обеспечивается штамповкой фиксирующих отверстий на технологическом поле заготовок из тонкого фольгированного диэлектрика, на котором способом травления создан проводящий рисунок.

Обработка плат по контуру и обрезка облоя после прессования заготовок МПП в зависимости от (ГОСТ 23665—79) масштабов производства осуществляется фрезерованием, алмазной резкой, резкой на гильотинах или штамповкой.

Фрезерование осуществляется твердосплавными дисковыми фрезами по ГОСТ 20320—74 и ГОСТ 20321—74. Для обработки сложного контура применяются твердосплавные концевые фрезы по ГОСТ 18372—73.

Для процесса фрезерования характерны следующие параметры: угол наклона зубьев — 40°; скорость резания— 110—140 м/мин; подача фрезы — 0,08—0,4 мм/зуб. Число зубьев для облегчения выхода стружки принимается минимальным. Для фрезерования может быть использован универсальный фрезерный станок 675П с размером рабочей поверхности стола 200X500 мм и частотой вращения шпинделей: вертикального —50—1630 об/мин, горизонтального — 63—2040 об/мии.

Специальными станками для фрезерования являются станок СФ-4, который рассчитан на обработку плат размером 500X500 мм.

В условиях опытного нли мелкосерийного производства целесообразно применять обрезку по контуру с помощью алмазных или абразивных кругов (ГОСТ 10110—78) на станках собственной конструкции. При этом линейная скорость резания должна быть не менее 30 м/с, подача — 3—6 м/мин, торцевое биение — не более 0,1 мм.

1. Размеры заготовок подлежат выборочному контролю посредством измерения универсальными мерительными инструментами с ценой деления, обеспечивающими заданную точность.

2. Диаметры фиксирующих и технологических отверстий проверяют выборочно с помощью двусторонних пробок-калибров. Расстояние между центрами отверстий лучше всего проверять с помощью приспособления, представляющего собой жесткую плиту с фиксаторами.

3. Величину деформации определяют с помощью калибровочной щели, образуемой двумя параллельными плитами, длина которых превышает длину заготовок. Расстояние между плитами регулируется. Для проверки величины деформации заготовка пропускается через щель. При деформации, выше установленной, заготовка застревает в щели.

4. Проверку соответствия количества отверстий рабочему чертежу удобно производить с помощью эталонной платы-трафарета визуально па просвет.

5. Диаметры отверстий, подлежащих металлизации, также проверяют с помощью двусторонних калибров-пробок.

6. Предельные отклонения центров отверстий относительно узлов координатной сетки следует проверять с помощью эталонной сетки шаблона.

7. Проверку печатных плат по внешнему виду необходимо производить сличением с эталоном, используя лупу с пятикратным увеличением или микроскопом МБС-2.

9. Теоретические основы процесса химического меднения

Получение металлического проводящего рисунка, как в отверстиях, так и на поверхности диэлектрических материалов осуществляется обычно в две стадии. Вначале диэлектрик металлизуется химическим (бестоковым) способом, а затем на полученный тонкий слой металла осаждается медь гальваническим способом до необходимой толщины металлического слоя. В так называемых аддитивных методах изготовления печатных плат проводящий рисунок получают за одну операцию химической металлизации, осаждая достаточно толстый слой металла, не прибегая к гальваническим процессам.

Способом химической металлизации можно осаждать различные металлы: серебро, медь, никель, кобальт и др., однако наиболее экономичным является процесс химического меднения, который обеспечивает также хорошее сцепление металла с диэлектриком и необходимую электропроводность.

Процесс химического меднения характеризуется сравнительно меньшими затратами на материалы, сами растворы отличаются высокой стабильностью и удобны в эксплуатации, так как не требуют сложного оборудования.

Химическое восстановление меди из растворов ее солей происходит под действием веществ-восстановителей, к числу которых относится формальдегид, являющийся дешевым и недефицитным материалом. Реакция восстановления меди протекает в щелочной среде, поэтому ионы меди должны быть связаны каким-либо комплексообразователем во избежание осаждения меди в виде гидроокисей [7].

Окислительно-восстановительная реакция образования металлической меди может быть представлена в следующем виде:

Суммарная реакция восстановления меди

Справедливость этой реакции подтверждается тем, что образуются указанные в ее правой части продукты, причем на 1 моль выделяющейся меди приходится 1 моль газообразного водорода.

Увеличенный против реакции расход формальдегида и щелочи объясняется протеканием реакции Каниццаро:

Образование частиц закиси меди является одной из причин разложения раствора, так как они, играя роль катализатора, обусловливают восстановление меди в объеме раствора. С целью предупреждения данного явления в состав раствора вводят в очень малых количествах вещества-стабилизаторы, которые адсорбируясь на малых частицах металлической меди, приостанавливают их дальнейшее увеличение и этим сохраняется дальнейшая работоспособность раствора. Положительную роль оказывает также воздушное перемешивание, так как кислород воздуха окисляет закись меди в соединения где медь двухвалентна. Медь связывается затем в исходную комплексную соль.

В качестве комплексообразователей служат обычно калий-натрий виннокислый (тартрат калия-натрия), динатриевая соль этилен-диамиитетрауксусной кислоты (трилон Б), лимонная кислота, этилен-диамин.

10. Активирование поверхности

Процесс химического меднения, как указывалось выше, является автокаталитнческим — в начале его требуется катализатор в виде частиц металлического палладия или другого вещества. Операция, в результате которой на диэлектрике создаются каталитические частицы, называется активированном.

Sn²⁺ + Pd²⁺ —— ” Sn⁴⁺ + Pd

Такой способ активирования печатных плат из фольгированных диэлектриков не рекомендуется, так как на медной фольге вследствие реакции контактного обмена выделяется металлический палладий:

Это приводит к быстрому истощению раствора активирования и непрочному сцеплению слоя металла с медной фольгой.

Имеется другой вариант раствора активирования, в котором палладий находится в виде аммиачно-трилонатного комплекса, и в этом случае реакция контактного вытеснения палладия отсутствует. Раствор этот содержит 3,5 — 4 г/л хлористого палладия, 11 — 12 г/л трилона Б и 300 — 350 мл /л 25 %-ного аммиака. Температура раствора 15 — 20 °С, выдержка — 3 — 5 мин.

За последние годы все большее применение получил метод прямого активирования посредством обработки заготовок плат в так называемом совмещенном растворе, содержащем одновременно ионы палладия и олова. Ниже приведен состав раствора (г/л).

Хлористое олово 40 — 45

Хлористый палладий 0,8 — 1,0

Соляная кислота 75 — 80

Хлористый калий 140 — 150

или

Хлористый натрий 115 — 120

В этом растворе палладий находится в двух формах: в виде коллоидных частиц металла и его комплексной соли. После обработки плат в совмещенном растворе следуют промывки в воде, в результате чего происходит гидролиз солей олова и адсорбция гидроокисных соединений олова вместе с солями палладия и его коллоидными частицами на поверхности диэлектрика.

Очевидно, что промывочная операция в процессе активирования с помощью совмещенного раствора имеет важное значение. Если она недостаточна по времени, то не произойдет гидролиза каталитического комплекса, т. е. не будет удален обволакивающий частицы палладия слой гидроокиси четырехвалентного олова. Удлинение времени промывки приводит к смыванию реагирующих компонентов, и эффект активирования не достигается.

Следовательно, активирование при использовании совмещенного раствора состоит из следующих операций: погружения в совмещенный раствор на 5—10 мин; промывки в воде в течение 2 мин; погружения в растовр “ускорителя” на 1—2 мин; промывки в воде в течение 2 мин; погружения в раствор химического меднения,

С целью улавливания соединений палладия, относящихся к категории драгоценных металлов, устанавливается не менее двух улавливателей с непроточной водой. Извлечение палладия из них производится по методике, изложенной ниже.

Zn + PdCl₂ —— ” Pd + ZnCl₂

Порошкообразный осадок палладия механически удаляется и растворяется в соляной кислоте, к которой добавлена перекись водорода (пергидроль) в количестве 10—20 мл/л. Полученный раствор нагревается до разложения перекиси водорода, охлаждается и анализируется. Раствор можно использовать для корректирования ванн активирования или после упаривания сухой остаток сдается в качестве возвратимых отходов.

11. Растворы химического меднения

Состав растворов. Растворы, применяемые для химического меднения, отличаются большим многообразием содержащихся в них компонентов, однако в состав каждого раствора обязательно должны входить следующие вещества: соли меди; вещества для связывания меди в комплексную соль (лигапды); вещество-восстановитель (формальдегид); вещество, обусловливающее необходимую величину рН раствора; различные добавки.

В производстве печатных плат получили применение растворы, представленные в табл. 9.

Раствор 1 (ГОСТ 23770—79) является наиболее распространенным и экономичным раствором. Скорость осаждения меди — 2,5 мкм/ч, выдержка плат в растворе — 15—25 мин, толщина осажденного при этом слоя меди менее 1 мкм. В качестве стабилизаторов вместо тиосульфата натрия можно применять сульфид свинца (0,05 г/л) или диэтилдитиокарбомат натрия (0,005—0,01 г/л). Вместо виннокислого калия-натрия допускается применение винограднокислого.

Раствор 2 на основе комплексной соли меди с трилоном Б является более устойчивым по сравнению с раствором 1, поэтому раствор 2 характеризуется повышенной стабильностью и в нем достигается возможность осаждения слоя меди толщиной 3 мкм за 15—20 мин при температуре раствора 20—25 °С. Для снижения поверхностного натяжения и облегчения разряда водорода рекомендуется вводить лаурилсульфат натрия в количестве 0,1—0,3 г/л.

Применение раствора 2 при металлизации заготовок допускает возможность исключить операцию предварительного гальванического меднения, так как слой меди толщиной 3 мкм, полученный в результате химического меднения, достаточно прочен и обеспечивает выполнение последующих технологических операций.

Раствор 3 (ГОСТ 23770 — 79) применяется для металлизации печатных плат как более стабильный раствор, содержащий медь в виде трилонатного комплекса. Раствор может быть также использован для получения толстых слоев меди (25 — 30 мкм) при условии его непрерывного корректирования слоями меди, едким натром и формалином с помощью приборов автоматического дозирования, которые вводят указанные компоненты па сигналу датчиков-анализаторов. Возможно корректирование раствора по количеству пропущенных через него плат.

Приготовление и корректирование растворов. В отдельных объемах дистиллированной воды растворяют сернокислую медь, комплексообразователь и едкий натр. Затем сливают первые два раствора и при непрерывном перемешивании добавляют раствор едкого натра, после чего раствор в ванне доводят до рабочего уровня водой.

Для предотвращения разложения раствора в период длительного хранения (более 24 ч) необходимо подкислить его до величины рН 5 — 6 добавлением серной кислоты, при небольших перерывах — подкислять до рН 12,2 — 12,3.

В случае закисления раствора тиосульфат следует вводить только после подщелачивания до рН 12,4.

После этого раствор подкисляют серной кислотой до рН 3,8 — 4,3, в результате чего выпадает осадок виннокислой меди. Осадок декантируют, промывают холодной водой, собирают и высушивают при комнатной температуре. Виннокислую медь используют для приготовления свежих растворов.

Вышеприведенная методика позволяет полностью утилизировать ценные продукты (медь и соли виннокаменной кислоты), а также снизить затраты на обработку стоков, содержащих соли меди.

Основные неполадки при химическом меднении представлены в табл. 10.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПРИ ХИМИЧЕСКОМ МЕДНЕНИИ

Химическое меднение отверстий в заготовках печатных плат является весьма ответственной операцией, определяющей качество металлизации и соответственно качество плат. При выполнении всего комплекса операций процесса металлизации следует руководствоваться нижеприведенными правилами.

1. Заготовки плат с просверленными отверстиями помещаются в вертикальном положении в кассеты, изготовленные из коррзионно-стойкой стали или из полимерных материалов (полипропилей. фторопласт).

В процессе меднения и при выполнении предварительных операция необходимо осуществлять возвратно-поступательное движение кассет для того, чтобы растворы циркулировали через отверстия в платах.

2. После каждого цикла операции меднения кассеты следует обработать в одном из травильных растворов для удаления частиц меди, которые могут оседать на их поверхность в ванне химического меднения.

3. Раствор ванны химического меднения должен непрерывно фильтроваться для удаления механических загрязнений и частиц меди, образующихся в результате восстановления меди на взвешенных в растворе механических примесях.

6. Платы, имеющие слой химически осажденной меди толщиной более 1 мкм, рекомендуется термически обработать при температуре 80—90 ºС в течение 1 ч.

7. С целью замены в растворах химического меднения дорогой соли винной кислоты (сегнетовой соли) создан синтетический продукт — вниограднокислый калий-натрий. Эта соль, хотя и имеет аналогичный состав, но отличается по структуре от сегиетовой и вследствие этого растворы химического меднения с применением винограднокислых солей характеризуются худшей стабильностью.

По опыту ряда предприятий достаточно хорошей стабильностью обладает раствор следующего состава:

Сернокислая медь 10—15

Винограднокислый калий-натрий 60—70

Едкий натр 20—25

Кальцинированная сода 20

Хлористый никель 4

Формальдегид (37 %-ный), мл/л 10—15

Диэтилдитиокарбомат, мг/л 50

12. Способы создания защитного рельефа

Для всех применяемых в производстве методов изготовления печатных плат необходимой операцией является получение защитного рельефа (рисунка). В негативных процессах рисунок защищает от вытравливания проводящие элементы печатной платы; в позитивном процессе рисунок необходим для защиты от электрохимического осаждения покрытий па пробельные места, т. е. на участки, с которых удаляется медь травлением.

В зависимости от условий производства и принятого технологического процесса при изготовлении печатных плат применяют фотохимическую, трафаретную или офсетную печать [3, 7].

Процесс фотохимической печати основан на том, что под действием света, его ультрафиолетовой части спектра, некоторые виды материалов, называемые фотополимерными материалами, полимеризуются, образуя из линейных углеродных цепочек разветвленные молекулярные структуры. В результате полимеризации эти материалы приобретают новые свойства и, в частности, устойчивость к воздействию растворителей, которые были первоначально использованы для растворения этих материалов. Фотополимерные материалы, обладающие подобными свойствами, называют фоторезистами. Фотохимическая печать применяется главным образом в условиях мелкосерийного производства, а также в тех случаях, когда требуется повышенная разрешающая способность (зазоры и ширина проводников менее 0,3 мм).

В условиях крупносерийного производства наибольший эффект получен от применения трафаретной печати или метода сеткографии. В этом случае на сетчатом полотне образуют с помощью фоторезистов защитный рисунок, который закупоривает ячейки сеткн. Защитный рельеф на плате создается продавливаннем через такую сетку специальных стойких красок, проходящих через свободные ячейки сетки.

13. Жидкие фоторезисты

Существует очень много материалов, обладающих способностью полимеризоваться под действием света, однако в практике производства печатных плат применяют фоторезисты на основе поливинилового спирта (ПВО), фоторезисты на основе диазосоединений, ФПП и фоторезист “холодная эмаль”.

Фоторезист на основе ПВС нетоксичен, обладает хорошей разрешающей способностью (50 линий на 1 мм), прост в приготовлении и употреблении. Однако он обладает и рядом недостатков: “темновое дубление” (задубливаиие в темноте), нестабильность свойств под влиянием повышенной влажности и температуры окружающей среды, недостаточная устойчивость против воздействия растворов гальванических ванн и особенно борфтористоводородных электролитов.

Фоторезист ФПП. Фотополимер для печатных плат ФПП выпускается в виде готового продукта по ТУ НУО. 028.012. Фоторезист обладает хорошей устойчивостью к электролитам, механически прочен, имеет хорошую адгезию к подложке и большую разрешающую способность.

Однако высушенный слой фоторезиста весьма чувствителен к кислороду, который ингибирует эффект фотополимеризации. Для защиты от воздействия кислорода фоторезист покрывают лавсановой пленкой или наносят тонкий слой ПВС.

Фоторезист “холодная эмаль” является продуктом, аналогичным фоторезисту ФПП, и приготавливается непосредственно на предприятии из отдельных компонентов, к которым относятся бензолформальдегидная смола, сухой сополимер, полиэфир ТГМ, гидрохинон, метилвиолет, растворенный в этиловом спирте (на 1 л фоторезиста необходимо 820 мл спирта).

Этот тип фоторезиста также обладает рядом преимуществ перед составом на основе ПВС, в частности большей химической стойкостью, прочностью, стабильностью, и характеризуется отсутствием “темнового дубления”.

Формирование защитного рельефа с помощью фоторезиста ФПП производится в той же последовательности операций, что и для фоторезиста ПВС.

Проявление рисунка производится раствором двууглекислого натрия (концентрацией 40 г/л) или соды кальцинированной (концентрацией 40 г/л) при температуре 35—40 °С.

В операции дубления нет необхрдимости, так как защитный рисунок создается весьма устойчивой пленкой.

Из отработанного проявителя можно утилизировать фоторезист, добавляя к проявителю 10 %-ный раствор серной кислоты до рН 5—6 (по индикаторной бумаге).

Компоненты фоторезиста выпадают в осадок, который отфильтровывается бумажным фильтром, подсушивается на воздухе и вторично используется для приготовления фоторезиста в виде спиртового раствора.

Существенным недостатоком жидких фоторезистов всех типов является почти полная невозможность их использования в базовой технологии для нанесения на заготовки плат с просверленными отверстиями, так как при заливке отверстий жидкими фоторезистами образуются вытяжки, неровности и другие дефекты, затрудняющие фотопечать.

Другим их недостатком является малая толщина слоя защитного рисунка, вследствие чего при гальванических операциях осаждаемый металл, разрастаясь, образует грибовидную форму проводника. Однако использование фоторезиста ФПП в базовой технологии имеет место в тех случаях, когда фоторезист наносится на заготовку с металлизированными отверстиями на валковых установках. Тогда он не попадает в отверстия.

Для защиты при экспонировании поверхностного слоя фоторезиста от воздействия кислорода и озона на плату наносят окунанием слой желатины, который легко удаляется в процессе проявления. Основные характеристики жидких фоторезистов приведены в ГОСТ 23727—70.

14. Сухие пленочные фоторезисты

Сухие пленочные фоторезисты СПФ представляют собой трехслойную композицию, в которой первый и третий слои — защитные, а средний слой представляет собой собственно фоторезист весьма сложного состава. Основу фоторезиста составляют мономеры с двойными связями, способные к полимеризации под действием света, и полимерные связующие. В состав фоторезиста вводятся также сенсибилизаторы, ингибиторы, адгезивы, красители и пластификаторы. Структура фоторезиста представлена на рис. 7.

Импортные сорта фоторезиста типа “Ристон” выпускаются в четырех модификациях и имеют толщину слоя 12,5; 25; 37,5 и 62,5 мкм.

Отечественные пленочные фоторезисты марок СПФ-1, СПФ-2, выпускаемые по ТУ6-17-359—77, имеют толщину пленки 20, 40 и 60 мкм. Некоторые свойства СПФ-2 описаны в ГОСТ 23727 — 79.

Пленочные фоторезисты значительно технологичнее жидких обеспечивают возможность нанесения рисунка схемы на заготовки с отверстиями, обладают высокой стойкостью к действию травильных растворов и к электролитам гальванических ванн. Их разрешающая способность обеспечивает получение минимальной ширины проводников и зазоров 0,15 мм. Сухие пленочные фоторезисты наносятся на платы посредством прокатывания их горячим валиком через защитную лавсановую пленку в установках-ламинаторах. Температура валиков 100—120 °С. Защитная полиэтиленовая пленка перед этим отделяется и наматывается на вспомогательную бобину.

Схематически операция иаиесеиня СПФ представлена на рис. 8. В том случае, когда СПФ наносится с целью защиты от вытравливания, используют фоторезист толщиной 20 мкм; для гальванических операций применяют пленку толщиной 40—60 мкм.

Следует иметь в виду, что в процессе ламинирования (накатки) выделяются газообразные продукты в виде хлорированных углеводородов — хлористый метилен и трихлорэтилен, которые относятся к категории весьма токсичных веществ, поэтому в установках для ламинирования предусматривается вытяжная вентиляционная система. После накатки СПФ платы выдерживают а течение 30 мин при комнатной температуре в помещении с желтым светом (так называемое “неактииичиое” освещение) для снятия внутренних напряжений о пленке. Экспонирование производят через прозрачную лавсановую пленку так же, как и для жидких фоторезистов, применяя ультрафиолетовый источник света в виде ртутно-кварцевых ламп с диапазоном спектра 300—400 нм. Продолжительность экспонирования определяется опытным путем. Перегрев платы недопустим, так как при этом происходит прилипание защитной лавсановой пленки к фоторезисту. После экспонирования заготовка плат выдерживается в течение 20—30 мни в затемненном месте для того, чтобы завершился процесс полимеризации тех участков фоторезиста, на которые воздействовал свет. Проявление изображения рисунка производится в установках струйного типа действием растворителя метилхлороформа в течение 1—2 мин.

Удаление фоторезиста по окончании операции травления или гальванического покрытия сплавом олово—свинец производят также распылением растворителя хлористого метилена под более сильным давлением (0,3—0,4 МПа). С целью более полного удаления остатков фоторезиста и пленок органических материалов платы дополнительно подвергают струйной промывке водой под давлением 0,2—0,3 МПа.

При обработке СПФ следует иметь в виду, что растворители — метилхлороформ и хлористый метилен — негорючи, но чрезвычайно токсичны. Поэтому все операции, связанные с их применением, должны производиться в хорошо загерметизироваииых установках, оснащенных вытяжными устройствами.

В установках для проявления и снятия фоторезиста предусматривается замкнутый цикл использования растворителей. После орошения плат растворители поступают в дистиллятор и чистые растворители перекачиваются на повторное использование. Кубовые остатки от дистилляции периодически извлекаются и отвозятся за пределы населенных пунктов для захоронения в специально отведенных местах или сжигаются в печах с улавливанием продуктов сгорания водой во избежание загрязнения атмосферы хлоросодержащими газообразными веществами (фосгеном, хлористым водородом).

С целью уменьшения профессиональной вредности операции по обработке СПФ в токсичных растворителях и решения проблемы обезвреживания и уничтожения отходов производства разработаны и выпускаются промышленностью фоторезисты водощелочного проявления: ТФПК (ТУ ЫУО.037.074) и СПФ-ВЩ (ТУ 6-17-1086—80) Фоторезисты этого типа можно применять только в тех случаях, когда последующие гальванические и химические операции производятся в нейтральных или кислых растворах. Проявление изображения производится в 2 %-ном растворе кальцинированной соды, а удаление — в 2 %-ном растворе едкого натра. В результате в растворах постепенно накапливаются продукты, входящие в состав фоторезиста. Эти продукты удаляются путем подкислеиия раствора проявителя 10 %-ным раствором серной или соляной кислот. Выпадающий осадок продуктов отфильтровывается, подсушивается и укладывается в тару для пересылки в места уничтожения промышленных отходов. Для обработки пленочного фоторезиста типа СПФ-2 имеется необходимый комплект оборудования в том числе:

1. Установка экспонирования рисунка с точечным источником света, обеспечивающая освещенность внутри загрузочной рамы до 45 КЛк.

Имеется опыт удаления сухих пленочных фоторезистов (типа СПФ-ВЩ) электрохимическим способом путем катодной обработки в слабощелочных растворах или химически в той же среде с наложением ультразвука частотой 10 кГц.

Л,ля фоторезиста водощелочного проявления типа СПФ-ВЩ имеются линии проявления и удаления. Обе линии конвейерного типа конструктивно аналогичны линиям травления. Линии модульного типа, они компонуются из отдельных узлов, выполняющих операции обработки, промывки и сушки. В составе линий имеется модуль наблюдения для контроля качества выполнения операции.

При работе с сухими пленочными фоторезистами встречаются неполадки, причины которых представлены в табл. 11.

Основные неполадки при получении защитного рисунка с помощью пленочных фоторезистов

15. Сеткография

Материалом для сетчатого трафарета могут служить шелковая сетка, синтетические ткань, металлические сетки. Шелковые сетки легко вытягиваются и склонны к набуханию от воздействия растворителей, поэтому в настоящее время они применяются очень редко. Более устойчивы к истиранию и действию химических реагентов полиамидные и полиэфирные сетки плотностью от 56 до 180 нитей на 1 см.

Капроновая сетка 49—76 выпускается для трафаретов по ОСТ 1746—71. Металлические сетки (ТУ 14-4-507—74) наиболее прочны, с них легко смываются краски, но они менее эластичны. При выборе сетки необходимо учитывать свойства печатной краски; важно чтобы она хорошо проходила через ячейки сетки не забивая их. Размер ячеек должен быть в 2,5—3 раза больше частиц пигмента.

Сетка должна быть хорошо натянута в раме с помощью механического или пневматического устройства и закреплена клеем БФ-4 или адгезивом 2В. Перед нанесением трафарета сетки обезжириваются: металлические — в 20 %-ном растворе синтанола или (катодное обезжиривание) в щелочном растворе при температуре 25-30 °С. Капроновые сетки обезжириваются венской известью. Получение трафарета осуществляют прямым или косвенным способом.

Прямой способ заключается в нанесении на натянутые сетки фоторезистов типа ФСТ-1 (ТУ 610-028-029) или композиции “Фотосет-ж” (ТУ 6-15-01-138—77) и формировании изображения методом фотопечати. В этом случае ячейки сетки или полностью открыты или закрыты.

Наиболее перспективным является способ изготовления трафарета с применением фоторезиста “Фотосет-ж”. Полученный таким способом рисунок устойчив по отношению к воде, спирту, бутил-ацетату, уайт-спириту, ацетону. Тиражестойкость трафарета при этом составляет до 4000—5000 оттисков, продолжительность процесса изготовления трафарета — не более 30 мин. Композиция наносится поливом на натянутую сетку, выравнивается ракелем.

На фотошаблон во избежание прилипания его к сетке наносят антиадгезионный слой (5 %-ный раствор парафина в уайт-спирите).

Экспонирование изображения производят с помощью ламп ультрафиолетового излучения в течение 3—5 мин при освещенности 3000—3500 лк. Проявление выполняют с помощью ватного тампона, смоченного в этиловом спирте. Разрешающая способность фоторезиста (40 линий на 1 см) способствует получению зазоров между проводниками до 0,2 мм.

Основными преимуществами фоторезиста “Фотосет-ж” являются его способность полимеризоваться в жидком состоянии, возможность использования весьма простого оборудования, а также минимальная затрата времени на подготовку трафарета.

После нанесения изображения участки сетки, свободные от их рисунка, покрываются слоем клея БФ-4. При необходимости ретуширования дефектов рисунка можно использовать нитроэмаль НЦ-25.

Защитные рисунки на платах получают с помощью трафаретных красок, выпускаемых торжковским заводом полиграфических красок и другими предприятиями полиграфической промышленности.

Для негативного процесса применяются спирто-бензостойкие и щелочесмываемые краски: голубая СТЗ. 12—35 (ТУ 29-02-725—77), желтая СТЗ. 12—51 (ТУ 29-02-740—78), синяя СТЗ. 12.2 (ТУ КФ 248—80).

Первые два типа красок сушатся при температуре 60—70 °С в течение 45—55 мни. Краска СТЗ. 12.2 разработана для применения в автоматических линиях, где сушка осуществляется воздействием ультрафиолетовых источников света. Продолжительность сушки 10—16 с. Более дешевая краска для негативного процесса — литопонные белила, но она требует более длительного и сложного процесса сушки в туннельных сушилках.

Для позитивного процесса поставляется гальваностойкая краска СТЗ. 13 (ТУ 29-02-558—76), рассчитанная на растворы, имеющие величину рН 0,5—8,0. Слой краски толщиной 30 мкм сушится при температуре 50 °С в течение 8 мин, в при температуре 100 °С — 5 мин. Для позитивного процесса можно также применять краску СТЗ. 12— 51. Для маркировки печатных плат рекомендуется краска СТЗ. 19—53 (ТУ КФ 251—80).

Основные дефекты при получении защитного рельефа методом сеткографии

Из многих конструкций станков наибольшее распространение получил однопозиционный с подвижным столом и неподвижным ракелем полуавтомат ПСПП-901. Его производительность 400 заготовок плат размером 300X400 мм.

В комплекте к полуавтомату ПСПП-901 поставляется терморадиационная установка сушки конвейерного типа. Производительность ее от 100 до 300 заготовок плат в час, температура в зоне сушки от 40 до 100 °С.

К вспомогательному оборудованию относятся установки для натяжения сетки, установки для экспонирования и проявления сетчатых форм, станок для заточки ракелей.

Установка экспонирования сетчатых трафаретов УЭСТ-901 рассчитана на экспонирование сетчатых трафаретов с нанесенным фоторезистом “фотосет”, ФПП, а также для экспонирования пигментной бумаги. Установка предусматривает возможность экспонирования форм размером до 660X640X20 мм. Источник света — 11 люминесцентных ламп ЛУФ-80. Прижим фотошаблона к трафарету — вакуумный,

Установка проявления трафаретных форм УПТФ-901 предназначена для выполнения следующих операций: загрузки трафаретной формы в формрдержатель, проявления рисунка схемы проявляющим раствором, промывки водопроводной водой, продувки сжатым воздухом, сушки нагретым воздухом. Установка предусматривает проявление форм размером до 600X640 мм. Проявляющий раствор (вода, раствор соды или этиловый спирт) подается из форсунок с температурой от 18—20 до 45—65 °С.

Станок для заточки ракелей осуществляет заточку ракелей из полиуретана абразивным методом шлифования.

Пирофосфатный электролит. Основной компонент электролита — комплексная соль меди — образуется в результате растворения пирофосфата меди в избытке пирофосфата калия по реакциям:

Состав (г/л) и режим работы электролита приведены ниже.

Лимонная кислота или цитрат калия 20

Аммиак водный (25 %-ный), мл/л 1 — 2

pH 8,3 —8,5

Температура электролита, °С 35 — 50

Для приготовления электролита раствор сернокислой меди приливают небольшими порциями при интенсивном перемешивании к нагретому раствору пирофосфата натрия. Раствор при этом приобретает интенсивную синюю окраску. Затем в полученный раствор вводят поочередно лимонную кислоту и остальные компоненты. Разряд меди происходит из комплексного аниона, в результате чего этот процесс сопровождается значительной катодной поляризацией, обусловливающей мелкозернистую структуру покрытия и хорошие механические свойства осадка меди. В производстве печатных плат пирофосфатиый электролит имеет следующие преимущества: высокую рассеивающую способность, обеспечивающую получение слоя меди в отверстиях 80 — 90 % от толщины слоя меди на проводниках при отношении толщины платы к диаметру отверстия 2:1; хорошую эластичность меди при отсутствии органических примесей и примесей фосфатов; возможность ведения процесса при непрерывной фильтрации через уголь из-за отсутствия органических добавок.

В то же время указанный электролит обладает рядом недостатков.

1. Накопление фосфатов вследствие гидролиза пирофосфата. Накопление фосфатов обусловливает включение фосфора в осадок меди, доходящее до 0,5 % по массе. Фосфор в меди приводит к затруднениям при пайке и хрупкости осадка.

2. Охлаждение электролита влечет за собой кристаллизацию солей на анодах и стенках ванны и возникновение при работе так называемой солевой пассивности анодов.

3. Малая скорость осаждения меди вследствие низких плотностей тока.

4. Большая чувствительность к примесям железа, свинца, хлора и органических продуктов.

5. Невозможность использования более перспективных фоторезистов водощелочного проявления (СПФ-ВЩ).

Из числа электролитов, в которых медь находится в виде комплексного соединения, заслуживает внимания оксалатный электролит, обеспечивающий очень высокую рассеивающую способность и мелкозернистую структуру электролитического осадка, следующего состава (г/л) и режима работы;

Щавелевокислый аммоний 50

Щавелевая кислота 10

PH 3,5-4,5

Фторборатн“й электролит. Состав фторборатных электролитов приведен в табл. 13.

Преимуществом фторборатного электролита по сравнению с другими электролитами является наиболее высокая скорость осаждения меди вследствие применения повышенных плотностей тока, недостатки электролита — низкая рассеивающая способность (толщина покрытия в отверстиях при тех же условиях составляет 40— 50 % от толщины меди на проводниках) и неэластичность осадков меди (относительное удлинение έ = 2-3%). Хрупкость меди резко возрастает при попадании органических примесей и особенно продуктов выщелачивания пленочных фоторезистов.

Фторборат меди готовится в ванне посредством растворения основной углекислой соли меди в борфтористоводородной кислоте по реакции

Расчетное количество основной углекислой меди засыпается в ванну и в нее небольшими порциями вливается борфтористоводородная кислота до прекращения выделения углекислого газа. В полученный раствор вводится оставшаяся борфтористоводородная кислота и приготовленный в отдельной порции раствор борной кислоты.

Электролит после отстаивания декантируется в рабочую ванну и доливается до уровня дистиллированной водой.

Кремнефторидный электролит меднения по своим свойствам, преимуществам и недостаткам аналогичен фторборатному электролиту.

Электролит 1 рекомендуется для металлизации печатных плат, имеющих отношение толщины платы к диаметру металлизируемых отверстий 2,5 и менее. Электролит характеризуется малой агрессивностью к фоторезистам, обеспечивает хорошую эластичность меди и мелкозернистую структуру.

Пониженная плотность тока обусловливает его более низкую производительность по сравнению с другими электролитами. Электролит рекомендован ГОСТ 23770—79.

Электролит 2 обеспечивает более высокую производительность по сравнению с электролитом 1 и хорошую рассеивающую способность. Осадки меди блестящие, гладкие и весьма эластичные. Электролит также рекомендуется для металлизации плат, имеющих отношение толщины плат к диаметру отверстий 2,5 и менее. Добавка “ЛТИ” поставляется по ТУ АУЭО. 028.010.

Электролит 3 характеризуется более высоким содержанием серной кислоты при уменьшенной концентрации сернокислой меди. Это обстоятельство при наличии высокоэффективной добавки ПАВ обусловливает наиболее высокую рассеивающую способность среди кислых электролитов, которая приближается к рассеивающей способности пирофосфатных электролитов. Осадки меди гладкие, полублестящие.

Повышенная рассеивающая способность электролита с добавкой “ЛТИ” (электролит 3) имеет очень важное значение для производства, так как применение этого электролита позволяет уменьшить продолжительность процесса меднения на 50—60 % и соответственно сократить расход меди. При использовании фторборатных или кремнефторидных электролитов, обладающих низкой рассеивающей способностью, на проводниках и особенно на удаленных, осаждается весьма толстый (70—100 мм) слой меди с неровной поверхностью, что препятствует получению качественной влагозащиты при лакировке блоков на печатном монтаже из-за стекания лака с шишковатых наростов меди на кромках проводников.

Учитывая вышеизложенное, необходимо обращать большое внимание на эластичность осаждаемой меди, которая с учетом ужесточенных эксплуатационных требований к печатным платам, должна составлять по величине относительного удлинения не менее 6 %. Испытаниями качества медных осадков, полученных из различных электролитов, установлено, что в свежих электролитах величина относительного удлинения меди составляет: для электролита 3 — 9— 11 %, для электролита 4 — 3—4% и для фторборатного электролита — 3—5,5 %.

В результате накопления в электролитах органических примесей, вследствие агрессивного воздействия электролитов на фоторезисты, краски и диэлектрические материалы платы эластичность меди значительно снижается, причем в фторборатных электролитах, как более агрессивных, это явление происходит быстрее. Попадание в электролиты органических примесей обусловливает не только снижение эластичности меди, но ухудшение электропроводности, Так, чистая медь имеет удельное электрическое сопротивление 0,020 Ом·мм, а для меди, осажденной в электролитах 2—4, эта величина составляет — 0,026 Ом·мм и по мере накопления органических примесей она возрастает на 25—30 %.

Сопоставляя свойства меди, осажденной из различных электролитов, а также оценивая свойства электролитов, легко сделать вывод о том, что сульфатный электролит меднения (электролит 3), содержащий выравнивающую (блескообразующую) добавку “ЛТИ” наиболее перспективен, так как он обеспечивает получение эластичных осадков меди с высокой равномерностью и скоростью осаждения. Компоненты электролита доступны и дешевы. Электролит весьма удобен в эксплуатации, так как он не требует нагрева, легко приготавливается и корректируется. Аноды хорошо растворяются и этим поддерживается стабильная концентрация солей меди в электролите. В качестве анодов для данного электролита рекомендованы медно-фосфористые аноды марки АМФ, содержащие до 0,06 % фосфора. Такие аноды растворяются более равномерно, без шламообразования.

Приготовление и корректирование сульфатного электролита с добавкой “ЛТИ” производится следующим образом. Ванны заполняются дистиллированной водой на 1/2 или 2/3 объема. В воду, осторожно, при непрерывном помешивании, вводится серная кислота, раствор при этом нагревается до температуры 50—60 °С. В горячий раствор вводится медный купорос и при непрерывном помешивании и подогреве он полностью растворяется. Затем ванна доливается до уровня дистиллированной или деионизованной водой. Для обеспечения достаточной чистоты приготавливаемого электролита в полученный раствор вводится активированный уголь из расчета 2—3 г/л, смесь хорошо перемешивается и через 30—60 мин фильтруется в рабочую ванну.

Перед введением добавки “ЛТИ” раствор анализируется на содержание хлора и в зависимости от концентрации хлор-иона в раствор добавляется хлористый натрий, а если хлоридов оказалось выше нормы (0,06 г/л), излишек осаждается водной суспензией сернокислого серебра. В последнюю очередь вводится блескообразующая (выравнивающая) добавка “ЛТИ”. После приготовления электролита фильтры насоса должны, быть тщательно очищены от частиц угля, так как их присутствие в порах фильтра даже в небольших количествах повлечет за собой потерю добавки “ЛТИ” вследствие ее адсорбции активированным углем.

При снижении величины е до значений менее 6 % необходимо освободить электролит от органических примесей введением в электролит активированного угля БАУ в количестве 10 г/л. После тщательного перемешивания и выдержки ие менее 7 ч электролит фильтруется и в него вводится добавка “ЛТИ” в количестве, соответствующем рецептурному.

Основные неполадки, встречающиеся при эксплуатации кислых электролитов, и возможные причины их появления представлены в табл. 16.

Основные неполадки при меднении в кислых электролитах

Определение эластичности медных осадков производят следующим образом. На пластинку из коррозионно-стойкой стали методом фотопечати наносят защитный рисунок таким образом, чтобы последующим гальваническим меднением открытых участков поверхности можно было получить образец для разрыва, форма и размеры которого показаны на рис. 9.

Перемешивание электролита барботированием сжатым воздухом или механическими мешалками не достигает эффекта, так как в зону отверстий диаметром 0,6—0,8 мм не обеспечивается подача свежего электролита и в результате этого осаждение меди на стенки отверстий происходит из сильно истощенного электролита в условиях предельного тока. Лучшие результаты достигаются в том случае, когда платы, жестко закрепленные на катодной штанге, совершают в электролите возвратно-поступательные движения, что обеспечивает хороший обмен электролита в отверстиях.

Хороший контакт платы с подвесочным приспособлением и подвесочного приспособления с катодной штангой необходим для того, чтобы на всех платах осаждалось равное количество меди. При отсутствии контакта может произойти полное или частичное растворение меди, осевшей в начальный период электролиза. Это явление, называемое биполярным эффектом, происходит из-за того, что медненая поверхность платы, не будучи поляризована катодно, становится анодом по отношению к соседним платам, имеющим хороший контакт с катодной штангой. Для обеспечения хорошего жесткого контакта всех плат с подвесочными приспособлениями необходимо, чтобы платы присоединялись с помощью резьбового соединения или пружинящего контакта.

Длина подвесочного приспособления должна выбираться таким образом” чтобы самая нижняя плата была на уровне и даже несколько выше нижней кромки анодов, в противном случае происходит значительная концентрация тока на нижних платах и в результате образуется “подгорелый” слой меди.

При загрузке ванн платами их следует компоновать таким образом, чтобы стороны, обращенные к каждой анодной штанге, имели бы приблизительно одинаковую поверхность, подлежащую меднению. Это обеспечивает получение более равномерных по толщине покрытий на обеих сторонах платы.

17. Защитное покрытие сплавом олово—свинец (ПОС-60)

Защитные покрытия проводящего рисунка на платах должны выполнять в основном две функции: защиту проводников при вытравливании меди, т. е. роль металлорезиста, и пайку выводов радиоэлементов [6, 9].

В качестве металлорезиста могут быть использованы различные сплавы олова, серебро, золото, однако при пайке на волне расплавленного припоя хорошую растекаемость припоя с применением канифольных флюсов обеспечивает только сплав олово—свинец, соответствующий эвтектическому сплаву ПОС-60.

Олово легко образует электролитические сплавы со свинцом, в которых соотношение олова и свиица зависит от состава электролита и режимов электроосаждения.

В производстве печатных плат получили распространение фторборатиые электролиты, обеспечивающие осаждение сплава, содержащего 60 % олова. Состав приведен в табл. 17.

Электролит 1 (ГОСТ 23770—79) широко применяется в гальванотехнике для покрытия металлических деталей. Неоднородность состава сплава на отдельных участках печатных плат колеблется в пределах 40—60 % по олову, поэтому сплав плохо оплавляется и при моитажио-сборочных операциях возникает необходимость горячего облуживания плат припоем ПОС-60.

По мере накопления органических примесей производится периодическая очистка электролита от них посредством обработки активированным углем с последующей фильтрацией. В результате подобной обработки теряются органические добавки, введенные в электролит при его приготовлении, поэтому необходимо эти добавки вводить в полном объеме в соответствии с заданным составом (табл. 18).

Кремнефторид олова 50-80

Кремнефтористая кислота (свободная) 40-60

Тиомочевнна 12-13

Желатина 2

Для электроосаждения сплава олово—свинец с содержанием олова 60±5% институтом неорганической химии АН Латв. ССР разработан электролит следующего состава (г/л) [6]:

Олово (в пересчете на металл) 35—40

Свинец (в пересчете на металл) 20—25

Пирофосфат калия, свободный 130—250

Солянокислый гидразин 8—12

Добавка ДДДМ 1,0

Гидролизованный клей 1,5

Добавка ДДДМ представляет собой соединение: 4,4 диамино 3.3 диметоксидифенилметан и в сочетании с клеем обуславливает постоянство содержания олова в сплаве в рабочем интервале плотностей тока.

Основным преимуществом пирофосфатного электролита является его меньшая агрессивность по отношению к фоторезисту, чем у фторборатиого электролита, поэтому в нем меньше накапливается продуктов разложения, которые включаясь в покрытие, ухудшают его качество.

Для обеспечения постоянства состава сплава, а также стабильности его физико-химических свойств необходимо руководствоваться следующими рекомендациями.

1. Перемешивание электролита осуществляют медленным покачиванием плат в процессе электролиза (период качания 1—2 с) Более интенсивное покачивание вызывает снижение катодной поляризации свинца и его увеличение в составе сплава.

2. Во избежание заноса в электролит сульфат-иона перед нанесением покрытия операцию активирования проводят в 10 %-ном растворе борфтористоводородиой кислоты и без промывки переносят платы в ванну для покрытия сплавом.

3. Аноды из сплава олово—свинец с 60 %-ным содержанием олова и 40 %-ным — свинца применяют в виде металла, поставляемого по ТУ 48-13-20—77.

В том случае, если они готовятся на месте сплавлением свинца и олова, следует следить за тем, чтобы в этих металлах примеси меди, висмута, сурьмы, мышьяка и железа не превышали 0,003 % от каждого вида примесей.

4. С целью исключения возможности накопления меди в электролите необходимо не допускать падения плат на дно ванны и не поднимать уровень электролита в ванне выше крючков, на которых висят аноды.

Удаление сплава олово—свинец с разъемов печатных плат производят химическим растворением покрытия в одном из следующих растворов: раствор 1— борфтористоводородная кислота (330 мл), пергидроль (70 мл), вода (до 1л). Температура раствора 18—25 °С, Продолжительность обработки 3—5 мин; раствор 2 — азотная кислота (400—500 мл/л), фторборатная медь (5—10 г/л), препарат ОС-20 (2—5 г/л). Температура раствора 18—25 °С, скорость растворения 3—4 мкм/мин.

18. Покрытия разъемов печатных плат

Разъемы печатных плат, или конечные контакты, служат для электрического соединения блоков на печатных платах между собой с помощью соединительных колодок.

Для обеспечения хорошего электрического соединения между пружинками колодки и проводниковыми полосками разъема необходимо покрытие, обладающее малым переходным сопротивлением, хорошей износоустойчивостью и отсутствием каких-либо пленок, ухудшающих контактные свойства.

Золото. Всем требованиям, предъявляемым к контактным покрытиям, в наибольшей степени удовлетворяет покрытие из сплава золото—никель или золото—кобальт с содержанием легирующего элемента до 0,6% (твердое золото) [2]. Толщина слоя золота — 2,5 мкм. Другие металлы, как показано ниже, уступают этому покрытию по различным причинам.

Палладий. Обладает хорошей износостойкостью и более низкой стоимостью, однако на его поверхности вследствие каталитических свойств палладия со временем образуются полимерные пленки из органических продуктов, находящихся в воздухе. Из-за образования пленок нарушается контакт. Для покрытия разъемов палладий можно применять в условиях хорошо вентилируемой аппаратуры. Толщина слоя палладия 2,5—6 мкм.

Родий, Имеет наибольшую износоустойчивость и твердость, но естественные окисные пленки и склонность к образованию полимерных пленок ухудшают его контактные свойства. Родий является самым дорогим из группы драгоценных металлов и с учетом всех его свойств рекомендуется для покрытия контактов переключателей и кодовых дисков, рассчитанных на миллионы переключений при высоких контактных давлениях. Толщина слоя родия определяется требованиями к условиям контактирования.

Никель. Применяется в качестве подслоя перед золочением с целью повышения износоустойчивости слоя золота за счет повышения твердости подложки. Подслой никеля улучшает также коррозионную устойчивость покрытия, исключая возможность окисления меди через поры золотого покрытия. Кроме того, подслой никеля препятствует диффузии меди в золотое покрытие и обеспечивает этим постоянство величины переходного сопротивления в процессе длительной эксплуатации и хранения золоченых контактов. Толщина никелевого подслоя 6—9 мкм.

Состав (г/л) и режим работы электролита золочения следующие:

Дицианаурат калия (в пересчете на золото) 8—10

Лимонная кислота 30—40

Лимоннокислый калий трехзамещенный 30—40

Температура, °С 35—45

Выход по току, % 95—98

Аноды изготовлены из платинированного титана. Электролит периодически продувается азотом для вытеснения растворенного кислорода, который восстанавливаясь на катоде, снижает выход по току.

Электролит 1 Электролит 2

Азотнокислое серебро(в пересчете на металл) 40-50 —

Дицианаргентат калия (в пересчете на металл) — 40—50

Железосинеродистый калий 100—130 —

Роданистый калий 120—150 200—250

Углекислый калий 50—60 20—30

Температура, °С 18—25 18—25

РН 10 9,5—10

Электролит 1 и 2 идентичны по составу и отличаются способами приготовления. В электролите 1 дицианаргентат (в малых количествах) образуется при реакции взаимодействия солей серебра с железистосинероднстым калием. В электролите 2 дицианаргентат применяется в виде готового продукта, поставляемого по ТУ 609-451—70.

Состав (г/л) и режим работы электролита палладирования следующие:

Хлористый палладий 18—25

Хлористый аммоний 15—20

Аммиак водный, 25 %-ный, мл/л 2—5

Малеиновый ангидрид 0,15

Температура, °С 18—25

РН 8,5-9,5

Химические покрытия. Химические (бестоковые) покрытия применяют в тех случаях, когда на проводящий рисунок очень трудно наносить гальванические покрытия вследствие того, что проводники разрознены и не замкнуты в одну электрическую цепь.

Подобная проблема возникает, например, при изготовлении плат по аддитивному методу, когда проводники получаются химическим осаждением меди и гальванические операции исключаются из технологического процесса.

В качестве бестокового покрытия получил применение процесс химического оловянирования и осаждение слоя олова, легированного кадмием.

Процессы осаждения чистого олова осуществляются погружением печатных плат в раствор состава (г/л):

Хлористое олово 10—20

Тиомочевина 80—90

Хлористый натрий 75—90

Температура раствора 55—56°С, продолжительность операции 25—30 мин, толщина осаждаемого слоя олова до 2,5 мкм.

Процесс осаждения олова, легированного кадмием, происходит в растворе следующего состава (г/л) :

Хлористое олово 8

Хлористый кадмий 6

Серная кислота 40

Тиомочевииа 45

Температура раствора 18—25 °С, продолжительность операции 20—30 мин, толщина слоя покрытия составляет 2—3 мкм.

Химически осажденные покрытия оловом и сплавом олово—кадмий обеспечивают хорошее растекание припоя при пайке радиоэлементов на волне припоя, сохраняют эту способность значительно дольше, чем гальванически осажденное олово и на таких тонких покрытиях еще не было замечено случаев образования нитевидных кристаллов (“усов”) при длительном хранении.

19. Осветление и оплавление покрытия олово—свинец

Осветление покрытия. В результате применения щелочных растворов травления оловянно-свинцовое покрытие частично растворяется в этих растворах и образующиеся продукты растворения в виде темного шлама обволакивают поверхность покрытия и препятствуют выполнению последующих операций (оплавление или пайка выводов электрорадиоэлементов). Для удаления травильного шлама с поверхности покрытия платы погружают в так называемый осветляющий раствор состава: тиомочевина — 80—85 г/л; соляная кислота (1,19) — 50—60 мл/л; этиловый спирт или синтанол ДС-10 5—6 мл/л; продукт ОС-20—8—10 мл/л. Температура раствора 18— 25 °С, продолжительность обработки 1—1,5 мин.

Раствор приготовляют следующим образом. Ванну (1/5 объема) заполняют водой и вливают в нее соляную кислоту. Затем отдельно растворяют тиомочевину и вливают полученный раствор в ванну.

К смеси приливают спирт и продукт ОС-20, после чего доливают ванну водой до уровня.

С целью снижения стоимости расходуемых материалов можно применять технические продукты: тиомочевину по ТУ 6-09-4041—75; этиловый спирт.

Операцию осветления можно проводить в растворах, отличающихся по составу от вышеприведенного.

Так, например, фторборатный раствор состава: борфтористоводородная кислота — 100 мл, тиомочевина — 100 г, смачиватель ОП-7—10 мл, вода — до 1 л осветляет покрытие при температуре 50— 60 °С в течение 1—2 мин.

Оплавление осуществляют погружением в жидкий теплоноситель или воздействием инфракрасного излучения. В первом случае в качестве теплоносителя применяют жидкости, обладающие устойчивостью при температурах 220—240 °С, и негорючие — при этих же условиях. Такими жидкостями являются Лапрол (ТУ 6-05-1679—74), масло ТП-22 (ТУ 38-1013-60—73), олигоэфир ОЖ-1 (ТУ 6-05-221-489—81). Оплавление обычно производят погружением на 15 с в нагретый до 230±10 °С теплоноситель. Наиболее эффективным является оплавление на волне теплоносителя ОЖ-1 в автоматической установке, аналогичной установке для пайки на волне припоя, в которой контакт платы с жидкостью длится не более 5 с при температуре жидкости 220—230 °С. После оплавления покрытия жидкость ОЖ-1 смывается горячей водой. В случае использования масла ТП-22 отмывка его производится трихлорэтиленом.

Операцию отмывки лучше всего производить в установках, где струйная промывка сочетается с механическим воздействием вращающихся щеток. В последней секции отмывочного агрегата устанавливаются валки, которые отжимают воду с поверхности плат.

Сушка плат может осуществляться с помощью ТЭНов или керамических нагретых панелей, которые испаряют влагу за счет инфракрасного излучения во время перемещения платы по конвейеру между нагретыми поверхностями.

Оплавлению в инфракрасных лучах предшествует флюсование в спирто-канифольном флюсе или в растворе состава (масс, доли, %): олеиновая кислота — 20; этиловый спирт — 35; продукт ОС-20—45. Вязкость флюса по ВЗ-4 равна 12—15 с.

Раствор приготавливают посредством смешивания олеиновой кислоты со спиртом и затем в нагретую до 45—55 °С смесь вводят при помешивании продукт ОС-20. Флюс наносят окунанием и подсушивают на воздухе в течение 3—5 мин. Продукт ОС-20 по истечении нескольких дней употребления флюса выпадает в осадок, поэтому периодически флюс необходимо прогревать для растворения этого продукта.

В установках для оплавления в инфракрасном излучении скорость конвейера меняется для того, чтобы продолжительность облучения,увеличивалась по мере увеличения толщины платы. Так, для плат толщиной 1 мм скорость конвейера 1,2—1,3 м/мин, а для плат толщиной 2 мм скорость конвейера 1,0—1,1 м/мин.

Для защиты плат от коробления применяют рамки из текстолита, в которые вставляются платы перед укладкой их на конвейер. После оплавления флюсы смываются: спирто-канифольный — в спирто-бензиновой смеси; олеиновый — в теплой воде (50—55 °С) в течение 5—10 мин. Качество отмывки водорастворимых флюсов и жидких теплоносителей можно значительно повысить, используя ультразвуковые установки.

Следует обратить внимание на то, что толщина оловянно-свинцового покрытия на платах должна быть минимальной (не более 15 мкм), в противном случае происходят большие наплывы металла в отверстиях, каплеобразоваиие и другие дефекты.

20. Растворы и а основе хлорного железа и персульфата

Общие сведения. Травление меди является одной из основных операций в производстве печатных плат. Травильные растворы, с помощью которых осуществляется эта операция, должны удовлетворять следующим требованиям. В состав раствора должны входить дешевые и доступные материалы; раствор должен допускать возможность его регенерации и утилизацию меди из отработанного травителя; боковое подтравливание проводников должно быть минимальным; травильные растворы не должны воздействовать на диэлектрическое основание печатной платы и на защитный рисунок.

Ниже рассмотрены основные характеристики ряда применяемых в производства растворов и даны рекомендации по наиболее эффективным травителям [3, 8].

Операция травления обычно осуществляется в конвейерных установках, в которых на платы, перемещаемые по транспортеру, сверху и снизу направляются струи травильного раствора или промывочной воды. Струйный метод травления является наиболее эффективным, так как обеспечивает требуемую скорость процесса при незначительном боковом травлении.

Типовая травильная установка составляется из отдельных состыкованных между собой модулей, в которых выполняются следующие переходы: загрузка, травление, щелочная или кислая промывка, визуальное наблюдение, финишная промывка и сушка. К числу таких установок относятся серийно выпускаемые линии щелочного и кислого травления.

На рис. 11 представлена типовая установка травления.

FeCl₃ + Cu ——> FeCl₂ + CuCl

Образовавшаяся хлористая медь окисляется хлорным железом до хлорной меди:

CuCl₂ + Cu ——>2CuCl.

Раствор обладает высокой скоростью травления и емкостью по меди, однако его применение в настоящее время ограничивается по следующим причинам.

При промывке плат после травления остатки травильного раствора легко гидролизуются с образованием труднорастворимых основных солей железа:

Отработанный раствор очень трудно поддается регенерации и практически невозможно его автоматическое корректирование в процессе травления.

Раствор невозможно использовать в позитивном методе изготовления печатных плат при наличии оловянно-свинцового покрытия, так как хлорное железо растворяет это покрытие.

Работа с раствором хлорного железа неизбежно влечет за собой загрязнение полов и стен яркоокрашенным травильным раствором.

Для утилизации меди из отработанного раствора в него загружается перфорированная винипластовая корзинка, в которую засыпается обезжиренная стальная стружка. Раствор рекомендуется подогреть до температуры 40 — 50 °С. Вследствие реакции цементации медь в виде рыхлого осадка выделяется на частицах железа:

После осаждения меди на стружке, о чем судят по отсутствию меди на стальных образцах, периодически погружаемых в раствор, последний сливается и передается на нейтрализацию, а порошковая медь струей воды смывается в льняной мешок, где промывается водой и затем обезвоживается на рамном фильтр-прессе и высушивается [1].

Раствор, освобожденный от меди, нейтрализуется известковым молоком. Осадок гидроокиси железа обезвоживается на рамном фильтр-прессе и вывозится в специально отведенные для этой цели места.

Побочной реакцией является гидролиз персульфата:

Растворы на основе персульфата аммония могут быть использованы как в негативном, так и в позитивном процессе, однако невозможность регенерации раствора, сложная система утилизации меди, неравномерный характер вытравливания, высокая стоимость и дефицитность персульфата аммония обусловливают ограниченное применение персульфатных растворов в производстве.

21. Хлорно-медный кислый и щелочной растворы

Хлорная медь окисляет и растворяет медь по реакции

CuCl₂ + Cu ——> 2CuCl.

CuCl + Cl₂ ——> 2CuCl₂;

Частично хлористую медь окисляет кислород воздуха в кислой среде:

Способ электрохимической регенерации отработанного медно-хлоридного раствора травления является весьма перспективным, так как помимо регенерации раствора он обеспечивает возможность утилизации меди в виде катодного осадка.

Способ электрохимической регенерации заключается в пропускании постоянного тока через раствор с использованием титанового катода и графитового анода.

На электродах возможны следующие реакции и характерные для них электродные стандартные потенциалы: на катоде

на аноде

С целью предотвращения выделения хлора анодное пространство отделяется пористой диафрагмой с заполнением анолита раствором едкого натра.

В этом случае после извлечения из отработанного раствора избытка меди его обрабатывают перекисью водорода для окисления ионов одновалентной меди до двухвалентной. Современные модели травильных установок снабжаются электрохимическим устройством для утилизации меди и регенерации раствора.

Раствор хлорной меди, несмотря на малую емкость по меди, является наиболее перспективным при выполнении операции травления в негативном процессе и особенно при изготовлении односторонних плат из гетинакса. Перспективность применения раствора хлорной меди обусловлена в первую очередь возможностью его автоматической регенерации и утилизации меди. Кроме того, растворы хлорной меди хорошо отмываются с плат, не оставляя никаких следов солей меди.

Аналогичным является так называемый перекисный раствор, применяемый некоторыми предприятиями. Раствор приготавливается из перекиси водорода (30 %-ной) и соляной кислоты, взятых в отношении 1 : 3. В процессе травления меди происходят следующие реакции:

Cu + H₂O₂ ——> CuO + H₂O;

CuO + 2HCl ——>CuCl₂ + H₂O;

CuCl₂ + Cu ——> 2CuCl.

CuCl₂+ 4NH₄OH —— > Cu (NH₃)₄Cl + 4H₂O.

Аммиачная комплексная соль двухвалентной меди является окислителем и растворяет медь по реакции

Cu (NH₃)₄Cl₂ + Cu —— > Cu (NH₃)₂Cl

Отработанный раствор, содержащий одновалентную медь, легко регенерируется посредством окисления кислородом воздуха:

2 Cu (NH₃)₂Cl + ¹/2O₂ + 2NH₄Cl + 2NH₄OH (NH₄)₂CO₃ 2 Cu (NH₃)₄Cl + 3H₂O.

Корректирование раствора газообразным аммиаком приводит к его повышенному расходу вследствие большой летучести аммиака. На ряде предприятий освоен метод корректирования травителя раствором следующего состава: хлористый аммоний — 150 г/л; аммиак (25 %-иый) — 400 — 500 мл/л.

Раствор вводится по сигналу датчика рН. Автоматически цикл регенерации предусмотрен в линии щелочного травления, представленной на рис. 11.

Утилизация- меди из травильных растворов на основе хлорида осуществляется осаждением меди в вид“ окиси меди действием при нагреве и барботировании смеси воздухом. При этом происходят следующие реакции:

для кислых растворов

CuCl₂ + 2NaOH —— > CuO + 2NaCl + H₂O

2CuCl + 2NaOH + ¹/₂O₂ —— > 2CuO + 2NaCl + H₂O

Cu(NH₃)₄Cl₂ + 2NaOH —— > CuO + 2NaCl + H₂O + 4 NH₃

Cu(NH₃)₂Cl + 2NaOH + ¹/₂O₂ —— > CuO + 2NaCl + H₂O + 4 NH₃

Недостатком медно-аммиачных травителей является загрязнение атмосферы аммиаком и сточных вод аммонийными солями, которые, попадая в систему очистных сооружений, могут образовать комплексные соединения тяжелых металлов (никель, медь и др.) и утечку их из нейтрализаторов в очищенные стоки.

К числу других щелочных растворов относят хлоритные и медно-сульфатные.

NaClO₂ + Cu + 4NH₄Cl + 4NH₄OH —— > 2Cu(NH₃)₄Cl₂ + NaCl + 6H₂O

Травильный раствор на основе хлорита натрия используется на некоторых предприятиях для вытравливания меди в позитивном процессе при наличии защитного покрытия из сплава олово — свинец. Травильный раствор содержит 30 — 35 г/л хлорита натрия, 70 — 90 г/л хлористого аммония, 190 — 200 мл/л 25 %-ного водного аммиака.

Cu(NH₃)₄Cl₂ + Cu —— > 2Cu(NH₃)₂Cl

Cu(NH₃)₄SO₄ + Cu —— > [Cu(NH₃)₂]₂ SO₄

Хромовокислый раствор относится к категории очень сильных окислителей и может быть использован для вытравливании меди при различных резистивных покрытиях, однако широкого применения хромовокислые растворы не получили вследствие значительных усложнений, связанных с обезвреживанием сточных вод и больших затрат па обезвреживание залповых сбросов при смене растворов. Хромовые соединения, кроме того, являются дорогими и дефицитными. По этим причинам хромовокислые растворы не рекомендуются для промышленного использования.

ПРИЛОЖЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баранов Е. А., Шевченко Е. Л., Калачик Т. С. Регенерации отработанных травильных растворов в производстве печатных плат. М.: ЦНИИЭлектроника, 1981. 104 с.

2. Груев И. Д., 'Матвеев Н, И., Сергеева Н. Г. Гальваническое золочение, серебрение и палладирование в производстве РЭА. М.: Радио и связь, 1981, 140 с.

3. Инженерная гальванотехника/Е. А. Баранов, М. А. Беленький, М. И. Гарбер и др.; Под ред. А. М. Г и н б е р г а. М.: $а-шиностроеиие, 1977. с. 307—336.

4. Медведев А. М. Контроль и испытания плат печатного монтажа. М.: Энергия, 1975. 151 с.

5. Многослойный печатный монтаж в приборостроении, автоматике и вычислительной технике. И. В. Борисов, А. Т. Белевцев, Л. Н. Московкин н др.; Под ред. А. Т. Белевцев а. М.: Машиностроение, 1978. 263 с.

6. Пурин Б. А. Озола Э. А., Витиня И. А. Нанесение гальванических покрытий меди, олова и сплава олово—свинец на печатные платы. Рига: ЛатНИИНТИ. 1979. 45 с.

7. Федулова А. А., Котов Е. П., Явич Э. Р, Химические процессы в технологии изготовления печатных плат. М.: Радио н связь, 1981. 133 с.

9. Ямпольский А. М., Ильин В. А. Краткий справочник гальванотехника. Л.: Машиностроение, 1981. 269 с.