Этапы проектирования печатных плат

     При приготовлении растворов химического  меднения в отдельных емкостях растворяют в дистиллированной воде сернокислую  медь, комплексообразователь и едкий  натр. Затем смешивают первые два  раствора и при непрерывном перемешивании приливают раствор едкого натра и раствор стабилизатора, после чего раствор в ванне доводят до рабочего уровня, выдерживают 8-10 часов, фильтруют и корректируют по величине рН добавлением NaOH или H₂S0₄. Формалин вводят за 10-20 мин до начала работы. Приготовленный раствор анализируют по всем компонентам. Анализ на содержание формалина, едкого натра и меди проводят ежедневно.

     Корректирование растворов. Корректирование растворов сульфатом меди, щелочью и формалином проводят ежедневно в начале работы, а комплексообразователем - по данным экспресс-анализа, 1 раз в неделю. Стабилизатор вводят в конце рабочего дня в количестве не более 1/2 от рецептурного значения. На крупных предприятиях анализ ванны химического меднения проводят каждые 2 часа по NaOH, CuSO₄, CH₂0, трилону Б. Для предотвращения разложения раствора в период длительного хранения (более 24 часов) необходимо подкислить его до величины рН = 5-6 добавлением серной кислоты. При небольших перерывах раствор рекомсндуется подкислять до рH = 12,2-12,3. Можно вводить щелочной стабилизатор NaOH 180-200 г/л; Na₂S₂0₃ 0,05-0,06 г/л.

     Корректирование растворов на основе трилона Б  производят по данным анализа на содержание меди, щелочи и формалина. Трилон Б  добавляют по 5-7 г/л через 2-3 дня работы. Для длительного хранения трилонатные растворы следует подкислять серной кислотой до рН = 10,0-10,5. Для корректирования следует применять концентрированные растворы CuS0₄ 200-250 г/л и NaOH 400-600 г/л. При длительном использовании раствора меднения в нем накапливаются в больших количествах сульфаты натрия и формиаты натрия, в результате чего введение очередной порции компонентов затруднено. В этом случае раствор не корректируют, а заменяют свежим.

     Существуют  различные способы корректировки: одноразовые (ежедневные), периодические и непрерывные.

     Одноразовая корректировка возможна при невысокой интенсивности работы ванн, когда содержание основных компонентов ванны за рабочую смену не снижается ниже допустимого предела.

     Периодическое корректирование проводится после обработки определенной площади изделий или через определенное число загрузок или через определенное время непрерывной работы раствора. Используются концентраты, содержащие 1-2 или 3-4 компонента в одном растворе. При этом необходим постоянный учет площади металлизированных изделий или времени работы раствора, что усложняет контроль процесса.

     Непрерывный способ корректирования может осуществляться автоматической регулировкой. Разработан способ с автоматической подачей корректирующих растворов по сигналу датчика, измеряющего оптическую плотность раствора в инфракрасном свете. При одноразовом корректировании (1 раз перед началом смены) раствор химического меднения за 6 циклов меднения истощается по отдельным компонентам на 26,6-38%.

     При непрерывном корректировании за 16 циклов металлизации максимальное изменение  содержания всех компонентов раствора составляет 5,7-8,4%, скорость нанесения  покрытия не претерпевает существенных изменений, оставаясь на уровне 3-3,4 мкм/ч.

     Правила эксплуатации ванн химического меднения:

1.   Предъявляются высокие требования к чистоте используемых реактивов и воды. Реактивы должны быть чистыми или химически чистыми. Вода, на которой готовятся растворы, должна быть обессолена дистилляцией.

2.  С целью обновления раствора химического меднения в отверстиях плат и упрощения удаления водорода из отверстий проводится покачивание заготовок: плавное и медленное, 15-20 качаний в минуту при длине хода 50-100 мм. При этом скорость меднения увеличивается в 3 раза.

3.   Необходимо обеспечить умеренную степень загрузки ванн химического меднения (примерно 250 см²/л).
4.   Следует обеспечить оптимальный режим корректировки раствора (непрерывный).
5.   Для стабилизации раствора в нерабочий период в раствор вводят щелочной стабилизатор в количестве 0,01 л на 1 литр ванны. Состав: NaOH 180-200 г/л; Na₂S₂0₃ - 0,05-0,06 г/л. Можно использовать традиционное подкисление раствора.
6.   Для повышения качества металлизации печатных плат ванна должна быть в форме куба с пластмассовой футеровкой. Необходимо предусмотреть дополнительную емкость, предназначенную для очистки раствора и рабочей ванны. При необходимости ванну следует промывать разбавленной азотной кислотой HN0₃ (1:1), затем водой.
7.   Учитывая высокую стоимость растворов химического меднения, рекомендуется после ванны с рабочим раствором ставить ванну улавливания. Это позволяет уменьшить содержание химикатов в проточной воде в 10 раз. Можно предусмотреть также выдержку подвесок над раствором не менее 30 секунд, что увеличит время стекания раствора в основную ванну.
8.   Выбираются стальные подвески, обрабатываемые в травильных растворах после каждого цикла.
9.   Фильтрование удаляет не только посторонние примеси, но и мелкие частицы металла в случае, если в растворе уже началось объемное разложение. Особенно эффективно фильтрование для растворов, содержащих стабилизаторы, - тогда при объемной реакции образуется сравнительно небольшое число крупных частиц металла. Поэтому периодическое или непрерывное фильтрование раствора металлизации является необходимой операцией при длительном их использовании. Химическое меднение в протекающем растворе с фильтрацией обеспечивает повышение прочности сцепления осадка в 2 раза, причем осадок имеет более плотную структуру. Скорость фильтрации должна обеспечить 3-5-кратный обмен раствора в течение часа.
10.   Необходимо предусматривать очистку раствора химического меднения от накапливающихся примесей: сульфат, формиат ионов, карбонат ионов, появляющихся за счет взаимодействия щелочи с углекислым газом при барботаже.

Указанные ионы снижают пластичность медных осадков, уменьшается предел их прочности. Сульфат и формиат ионы можно удалять электродиализом. Накопления сульфат ионов можно избежать, если проводить корректировку по Си²⁺ с помощью Си(ОН)₂ или использовать медный электрод, подвергая его анодному растворению. Для предотвращения накопления карбонатов рекомендуется барботировать ванну воздухом, очищенным от С0₂, или удалять карбонаты охлаждением раствора до 10 °С в нерабочий период. При этом карбонаты выпадают в осадок, который затем отфильтровывается.

     Возможные виды брака на линии  химического меднения

 

     Образование раковин является наиболее важной проблемой управления качеством, возникающей при автоматической сборке посредством пайки печатных плат со сквозными металлизированными отверстиями. Количество образовавшихся раковин при пайке непосредственно связано со способностью медного столба противостоять давлению газа позади него в течение нескольких секунд, во время которых газ вырабатывается термическим воздействием расплавленного припоя. Если образуются раковины, то газ может либо выходить через существующие поры, либо разрывать столб металлизации. Оба эти явления уменьшаются по мере возрастания толщины столба, и таким образом для всех плат со сквозными металлизированными отверстиями образование раковин уменьшается при возрастании толщины столба. Однако соотношение между образованием раковин и толщиной столба является функцией качества химического меднения. Для того чтобы избежать пор и слабых точек, в столбе металлизации необходимо полное покрытие стенок просверленных отверстий химической медью. Химическое меднение зависит от эффективности и однородности адсорбции катализатора.

     Природа образования раковин при пайке  сквозных металлизированных отверстий. Газ, приводящий к образованию раковин при пайке сквозных металлизированных отверстий, возникает из-за поглощения влаги из атмосферы эпоксидной составляющей слоя FR-4. Образования раковин можно избежать, если печатную плату хорошо высушить до пайки, но это не всегда практично.

     

Рис. 4 Микрофотографии шлифов металлизированных отверстий

а - разрыв столба металлизации

б –отрыв медного столба от стенок отверстия 

     Столб металлизации должен оставаться цельным  в течение нескольких секунд с  того момента, как термическое воздействие расплавленного припоя начинает вызывать в металлизированных отверстиях выделение влаги, поглощенной эпоксидной составляющей, и до того момента, когда припой застынет. Давление газа за медной стенкой может стать значительным, и таким образом столб не только должен быть непроницаемым, но и не должен иметь слабых точек, которые могут быть пробиты во время пайки (рис. 4а). Однако, если столб непроницаем, он должен еще также иметь достаточную адгезию к стенкам просверленных отверстий и не отрываться из-за давления газа позади него. Один из аспектов решения данных проблем лежит в нанесении химической меди и подготовке стенок просверленных отверстий, на которые она наносится.

      Причины плохого  химического покрытия:

 

     Существует  много причин, которые приводят к неосаждению химической меди на просверленной поверхности стеклоэпоксидного слоя.

     На  просверленной поверхности могут  встречаться полости в слое (углубления) либо вследствие плохой пропитки стекловолокна эпоксидной составляющей, либо из-за вырывания концов стекловолокна при сверлении. В этих углублениях процесс осаждения химической меди затруднен. Эти полости также задерживают раствор из-за поверхностного натяжения, приводя к загрязнению и препятствуя последующим процессам.

     Осколки сверления, остающиеся на стенках отверстий в процессе сверления, могут оказаться вытесненными позднее при производстве. Если это произойдет при активировании, но до металлизации, то ясно, что некоторые участки поверхности окажутся обнаженными. 

     Методы  очистки: 

       После плазменной очистки стенки отверстия могут оказаться покрытыми тонким слоем пыли, что приводит к недостаточной адсорбции катализатора.

     При хромовокислом травлении шестивалентный хром действует как яд на коллоидный палладиевый катализатор, что может  привести к отсутствию активирования поверхности.

     При сернокислом травлении диэлектрика  обнажается стекловолокно, кроме того, эпоксидная смола загрязняется анионными  сульфированными остатками, которые  уменьшают каталитическую адсорбцию  при применении активатора, имеющего отрицательный электрокинетический потенциал. Эпоксидная смола в отверстии становится гладкой, что не способствует хорошей адгезии при химическом осаждении.

     Лучше всего эти недостатки преодолеваются при использовании нагретого  щелочного перманганатного раствора для травления диэлектрика.

     Адсорбция катализатора. Коллоидный активатор, который имеет отрицательный электрокинетический потенциал, будет с трудом адсорбироваться на отрицательно заряженной поверхности стекловолокна. Поэтому поверхность отверстия должна быть специально подготовлена обработкой в растворе кондиционирования.

     Таким образом, качество химической металлизации отверстия зависит в основном от способов подготовки поверхности  диэлектрика.

     Еще одним серьезным и распространенным видом брака является отслаивание.

     Контроль  качества химического  меднения:

 

     Для определения качества химической металлизации используется метод, выявляющий пористость, необнаруживаемую никакими другими  методами, кроме электронного микроскопа. Метод «звездного неба», или контроль с помощью подсветки, заключается в проверке светопроницаемости стенки отверстия. 

     

Рис. 5. Метод контроля с помощью подсветки:

а) подсветка (1 - диэлектрик, 2 - медь, 3 - источник света, 4 - микроскоп);

б) внешний вид отверстия на просвет микроскоп 

     Плата разрезается особым способом. Одна сторона разреза проходит через  середину ряда отверстий, другая находится  в двух или трех миллиметрах от края отверстия и может быть немного  отполирована для увеличения светопроницаемости.

     Пластины  монтируются на приспособление, которое  является своего рода барьером, удаляющим  весь паразитический свет. Образцы  освещаются сзади лампой мощностью 10-20 Вт и подвергаются осмотру с  увеличением от 20 до 50 раз.

     Контроль  производится после осаждения химической меди или после гальвано затяжки. Все образовавшиеся в результате процесса металлизации пустоты превращаются в светящиеся точки на темном фоне.

     Качество  металлизации оценивается по следующим  критериям:

• Отличное - отверстие совершенно черного цвета (d₀).
• Очень хорошее - наблюдаются отдельные микроскопические точки (d₁).
• Удовлетворительное - небольшое количество маленьких пустот (d₂).
• Плохое - покрытие частично отсутствует, волокна диэлектрика полностью открыты, пористая металлизация на эпоксиде (d₃).
• Очень плохое - слабое покрытие или отсутствие покрытия вообще (d₄, d₅).

     Другие  способы металлизации диэлектриков:

 

     В современном мире, где экологический  аспект ставится на первое место, процесс  «химического меднения» признается экологически вредным и небезопасным для работы людей. Рассмотрим проблемы, возникающие при использовании процесса стандартного химического меднения: