Как металлизировать отверстия в печатной плате

Металлизация переходных отверстий в печатных платах ( часть 1, приготовление активатора)

Давно собирался описать процесс металлизации в подробностях, но все никак не мог завершить эксперименты с разными добавками в активатор (и их количеством), вылизывал все технологические шаги. Ну и какое-то время просто не мог окончательно определиться с тем, какой вариант описывать. После некоторых колебаний решил все-таки описывать вариант с добавкой жидкого мыла. Выбор на этот вариант пал по двум причинам: реактивы доступнее и после термолиза заготовка отмывается гораздо легче. Второй пункт особенно важен в этой технологии, поскольку городить вторую гальванику как-то не улыбалось (хотя «на коленке» я этот вариант отмывания продуктов пиролиза и попробовал). Из минусов — необходимость делать активацию быстро, но тут сложно сказать, минус это или плюс.

Итак.

Небольшой экскурс в теорию, историю и воздание должного людям, которые сделали этот метод доступным для любителей.
В основе этого метода лежит способность некоторых соединений меди разлагаться под действием тепла с выделением металлической меди. Этот метод появился в результате работ над беспалладиевыми технологиями металлизации начатых еще во времена бывшего СССР. После развала СССР работа не была остановлена и в начале 90-х группа химиков из Новосибирского Института химии твердого тела и механохимии возглавляемая Олегом Ивановичем Ломовским получила последний патент на эту технологию. Собственно говоря, тот метод, описание которого приведено ниже, это только адаптация технологии описанной в патенте.

Еще один человек, которому надо воздать должное — пользователь JIN с форума vrtp.ru. Именно он сделал доступным для широких масс чайников в химии, вроде меня, доступный способ получения базового раствора для активатора.
Ну а теперь, когда все нужные реверансы сделаны, перейду к, собственно, технологии.

ВНИМАНИЕ! ВСЕ РАБОТЫ ПО ПРИГОТОВЛЕНИЮ РАСТВОРА И ОБРАБОТКЕ ПЛАТЫ ВЫПОЛНЯЮТСЯ В ПЕРЧАТКАХ!
В процессе обработки в активаторе поверхности платы касаться категорически не рекомендуется, даже если руки в перчатках. Это уже забота о результате, а не о руках.
В составе активатора нет сильно ядовитых веществ, но, все же, он содержит соединения меди, большинство из которых, как минимум, не полезны для здоровья. Аммиак тоже на пользу здоровью не пойдет, так что активатор следует хранить в закрытой посуде, в месте недоступном для детей и домашних животных.

Для работы понадобятся следующие реактивы и приборы:

Реактивы :
1. Сульфат меди (ІІ) (он же медный купорос)
Нужен именно реактив, Ч (чистый) или ЧДА (чистый для анализа). Можно, конечно и ХЧ (химически чистый) или ОСЧ (особо чистый), но мне такой не попадался. Купорос, который продается в магазинах сад-огород может содержать неизвестное количество примесей.
2. Фосфорноватистокислый кальций (он же гипофосфит кальция, он же фосфинат кальция).
Тоже Ч или ЧДА (и, конечно же, ХЧ или ОСЧ).
3. Дистиллированная вода. Вполне подойдет та, что продается в автомагазинах.
4. Аммиачная вода 25% (она же нашатырный спирт, она же гидрат аммиака, она же гидроксид аммония).
Аптечный нашатырный спирт тоже подойдет, но его придется лить больше и скорректировать количество воды (сколько именно — я не считал, но, полагаю, с этой задачей из школьного курса химии справятся все).
5. Жидкое мыло. Подойдет любое, но по возможности стоит брать то, в котором поменьше всяких добавок (оно, обычно, еще и дешевле). Так же стоит отдавать предпочтение мылу с нейтральным pH, такое мыло, обычно усиленно подчеркивает этот факт на упаковке.

Инструменты и материалы :
1. Бытовые весы с разрешением хотя бы в 1 грамм (точнее, на самом деле и не нужно).
2. Две емкости в которых готовится раствор, стеклянные или пластиковые. Емкость первой где-то от литра и больше. Емкость второй — около полулитра.
3. Пластиковый судок с плотно закрывающейся крышкой. Это будет рабочая емкость в которой активатор хранится и в которой же обрабатываются платы.
4. Большая воронка для переливания жидкости, лучше пластиковая.
5. Несколько влажных салфеток для рук (если есть старые высохшие — это даже лучше). Крайне желательно подобрать такие, которые без каких-либо добавок. Салфетки перед использованием надо положить в теплое место и просушить. Эти салфетки будут использоваться для фильтрации. Поскольку осадка много, обычные бумажные салфетки не выдерживают. К тому же они впитывают слишком много жидкости и таким образом влияют на состав, что не желательно.
6. Большой шприц на 20 или (лучше) на 60мл.

ВНИМАНИЕ! Заключительные этапы приготовления раствора (начиная с шага 7) лучше проводить на открытом воздухе или под вытяжкой. Все-таки, аммиак изрядно вонюч. Приготовленный раствор воняет значительно меньше и им вполне можно пользоваться в помещении.

Раствор готовится так:
(Для тех, кто смотрел другие рецепты, уточню, что рецепт «удвоенный» по количеству компонентов, «одинарного» маловато для удобной работы.)

1. Наливаем 140мл дистиллированой воды в первую емкость:

Для ускорения следующего шага воду желательно подогреть в микроволновке градусов до 35-40.
2. Насыпаем 30 грамм купороса:

Затем тщательно перемешиваем до полного растворения в воде. Когда весь купорос растворится, получаем вот такую жидкость голубого цвета:

3. Насыпаем 22 грамма гипофосфита кальция:

И мешаем получившуюся смесь несколько минут. Раствор быстро становится белесым, это выделяется сульфат кальция (гипс), который не растворим в воде:

4. Во вторую емкость ставим воронку, в воронку кладем салфетки:

5. Акуратно сливаем жидкость из первой емкости в воронку. При этом нужно периодически взбалтывать осадок, что бы он не остался в первой емкости. Когда фильтрация закончена получаем вот такую картину:

6. Через осадок проливаем 100 мл воды. При этом осадок становится немного белее. Дожидаемся пока вся жидкость стечет, снимаем лейку и получаем раствор гипофосфита меди в воде:

7. Добавляем с помощью шприца 40мл аммиачной воды в раствор. Если шприц большой, то это можно сделать за один раз, с 20-кой прийдется сделать два захода. Выдавливать аммиачную воду в раствор удобнее всего опустив кончик шприца прямо в раствор, это позволяет избежать разбрызгивания. Если нужно делать два захода, то между заходами кончик шприца следует ополоснуть в дистиллированой воде. Раствор мгновенно густеет и в нем появляются белые хлопья:

Медленно помешиваем раствор до полного исчезновения хлопьев и превращения раствора в однородную жидкость темно-синего цвета:

Этот раствор уже воняет значительно меньше и продолжить процесс можно в помещении, при необходимости.
8. Добавляем в раствор 5-6 мл жидкого мыла:

9. Добавляем в раствор 8-10 грамм гипофосфита кальция:

Еще раз тщательно перемешиваем. Гипофосфит не растворяется полностью, но нерастворившийся осадок тоже нужен, он будет поддерживать концентрацию ионов гипофосфита в растворе по мере использования. Продолжая помешивать переливаем раствор в рабочую емкость. При этом нужно следить, что бы осадок полностью перелился вместе с остальным раствором. Активатор готов.

Активатор стабилен и может храниться долгое время. В процессе использования нужно следить за тем, что бы на дне все время был осадок гипофосфита кальция и при необходимости досыпать пару грамм. Если этого не делать, могут появляться неметаллизированные отверстия.

Как сделать действительно хорошую плату в домашних условиях

Эта страница является руководством по производству высококачественных печатных плат (далее ПП) быстро и эффективно, особенно для профессионального макетирования производства ПП. В отличие от большинства других руководств, акцент делается на качестве, скорости и минимальной стоимости материалов.

С помощью описанных на этой странице методов вы сможете сделать одностороннюю и двухстороннюю плату достаточно хорошего качества, пригодную для поверхностного монтажа с шагом расположения элементов 40-50 элементов на дюйм и с шагом расположения отверстий 0.5 мм.

Методика, описанная здесь, является суммированным опытом, собранным в течение 20 лет экспериментов в этой области. Если вы будете точно следовать описанной здесь методике, то сможете каждый раз получать ПП отличного качества. Конечно, вы можете экспериментировать, но помните, что неосторожные действия могут привести к существенному снижению качества.

Здесь представлены только фотолитографические методы формирования топологии ПП — другие способы, такие как трансферт, печать на меди и т.п., которые не подходят для быстрого и эффективного использования, не рассматриваются.

Сверление

Если в качестве основного материала вы используете FR-4, то вам понадобятся сверла, покрытые карбидом вольфрама, сверла из быстрорежущих сталей очень быстро изнашиваются, хотя сталь можно применять для сверления одиночных отверстий большого диаметра (больше 2 мм), т.к. сверла с напылением карбида вольфрама такого диаметра слишком дорогие. При сверлении отверстий диаметром меньше 1 мм, лучше использовать вертикальный станок, иначе ваши сверла будут быстро ломаться. Движение сверху вниз самое оптимальное с точки зрения нагрузки на инструмент. Карбидные сверла изготавливают с жестким хвостовиком (т.е. сверло точно соответствует диаметру отверстия), или с толстым (иногда называют «турбо») хвостовиком, имеющим стандартный размер (обычно 3.5 мм).

При сверлении сверлами с карбидным напылением важно жестко закрепить ПП, т.к. сверло может при движении вверх вырвать фрагмент платы.

Сверла маленьких диаметров обычно вставляются либо в цанговый патрон различных размеров, либо в трех кулачковый патрон — иногда 3-х кулачковый патрон является оптимальным вариантом. Для точного фиксирования, однако, это закрепление не подходит, и маленький размер сверла (меньше 1 мм) быстро делает желобки в зажимах, обеспечивающих хорошую фиксацию. Поэтому для сверл диаметром меньше 1 мм лучше использовать цанговый патрон. На всякий случай приобретите дополнительный набор, содержащий запасные цанги для каждого размера. Некоторые недорогие сверла производят с пластиковыми цангами — выбросите их и купите металлические.

Для получения приемлемой точности необходимо правильно организовать рабочее место, т.е., во-первых, обеспечить освещение платы при сверлении. Для этого можно использовать 12 В галогеновую лампу (или 9В, чтобы уменьшить яркость) прикрепив ее на штативе для возможности выбирать позицию (освещать правую сторону). Во-вторых, поднять рабочую поверхность примерно на 6″ выше высоты стола, для лучшего визуального контроля процесса. Неплохо было бы удалить пыль (можно использовать обычный пылесос), но это не обязательно — случайное замыкание цепи пылевой частицей — это миф. Надо отметить, что пыль от стекловолокон, образующаяся при сверлении, очень колкая, и при попадании на кожу вызывает ее раздражение. И, наконец, при работе очень удобно пользоваться ножным включателем сверлильного станка, особенно при частой замене сверл.

Типичные размеры отверстий:
· Переходные отверстия — 0.8 мм и менее
· Интегральная схема, резисторы и т.д. — 0.8 мм.
· Большие диоды (1N4001) — 1.0 мм;
· Контактные колодки, триммеры — от 1.2 до 1.5 мм;

Старайтесь избегать отверстия диаметром менее 0.8 мм. Всегда держите не менее двух запасных сверл 0.8 мм, т.к. они всегда ломаются именно в тот момент, когда вам срочно надо сделать заказ. Сверла 1 мм и больше намного надежнее, хотя и для них неплохо бы иметь запасные. Когда вам надо изготовить две одинаковые платы, то для экономии времени их можно сверлить одновременно. При этом необходимо очень аккуратно сверлить отверстия в центре контактной площадки около каждого угла ПП, а для больших плат — отверстия, расположенные близко от центра. Итак, положите платы друг на друга и просверлите отверстия 0.8 мм в двух противоположных углах, затем, используя штифты как колышки, закрепите платы относительно друг друга.

Резка

Если вы производите ПП серийно, вам понадобится для резки гильотинные ножницы (стоят они около 150 у.е.). Обычные пилы быстро тупятся, за исключением пил с карбидовым покрытием, а пыль во время пилки может вызвать раздражение кожи. Пилой можно случайно повредить защитную пленку и разрушить проводники на готовой плате. Если вы хотите пользоваться гильотинными ножницами, то будьте очень осторожны при отрезании платы, помните, что лезвие очень острое.

Если вам надо отрезать плату по сложному контуру, то это можно сделать либо просверлив много маленький отверстий и отломав ПП по полученным перфорациям, либо с помощью лобзика или маленькой ножовки, но приготовьтесь часто менять лезвие. Практически можно сделать угловой срез и гильотинными ножницами, но будьте очень осторожны.

Сквозная металлизация

Когда вы делаете двухстороннюю плату, возникает проблема объединения элементов на верхней стороне платы. Некоторые компоненты (резистор, поверхностные интегральные схемы) намного легче припаять, чем другие (например конденсатор со штыревыми выводами), поэтому возникает мысль: сделать поверхностное соединение только «легких» компонентов. А для DIP-компонентов использовать штифты, причем предпочтительнее использовать модель с толстым штифтом, а не с разъемом.

Немного приподнимите DIP-компонент над поверхностью платы и спаяйте пару штырьков со стороны припоя, сделав на конце небольшую шляпку. Затем надо припаять требуемые компоненты к верхней стороне с помощью повторного нагрева, причем при пайке дождитесь, пока припой заполнит пространство вокруг штырька (см. рисунок). Для плат с очень плотным расположением элементов необходимо хорошо продумать компоновку, чтобы облегчить пайку DIP-компонентов. После того, как вы закончили сборку платы, необходимо произвести двухсторонний контроль качества монтажа.

Для переходных отверстий используют быстромонтируемые связующие штыри диаметром 0.8 мм (см. рисунок).

Это самый доступный способ электрического соединения. Вам потребуется всего лишь точно ввести конец прибора в отверстие на всю длину, повторить тоже с другими отверстиями.Если вам необходимо произвести сквозную металлизацию, например, чтобы соединить недоступные элементы, или для DIP- компонентов (связующих штырей), вам понадобится система «Copperset». Эта установка очень удобна, но дорогостоящая (350$). Она использует «пластинчатые бруски» (см. рисунок), которые состоят из бруска припоя с медной втулкой металлизированной с наружной стороны. На втулке нарезаны засечки с интервалом 1.6 мм, соответствующие толщине платы. Брусок вводится в отверстие с помощью специального аппликатора. Затем отверстие пробивают керном, который вызывает перекос металлизированной втулки, и также выталкивает втулку из отверстия. Контактные площадки напаиваются с каждой стороны платы для присоединения втулки к контактным площадкам, затем припой удаляется вместе с оплеткой.

К счастью, эту систему возможно использовать для металлизации стандартных отверстий 0.8 мм без приобретения полного комплекта. В качестве аппликатора можно использовать любой автоматический карандаш диаметром 0.8 мм, модель которого имеет наконечник похожий на изображенный на рисунке, работающий намного лучше, чем настоящий аппликатор.Металлизацию отверстий надо производить до начала монтажа, пока поверхность платы совершенно плоская. Отверстия должны быть просверлены диаметром 0.85 мм, т.к. после металлизации их диаметры уменьшаются.

Заметим, что если ваша программа чертила контактные площадки таким же размером, что и размер сверла, то отверстия могут выходить за их пределы, приводя к неисправностям платы. Идеально, чтобы контактная площадка выходила за пределы отверстия на 0.5 мм.

Металлизация отверстий на основе графита

Второй вариант получения проводимости через отверстия — металлизация графитом, с последующим гальваническим осаждением меди. После сверления поверхность платы покрывается аэрозольным раствором, содержащим мелкодисперсные частицы графита, который затем ракелем (скребком или шпателем) продавливается в отверстия. Можно использовать аэрозоль фирмы CRAMOLIN «GRAPHITE». Данный аэрозоль широко используется в гальванопластике и других гальванических процессах, а также при получении проводящих покрытий в радиоэлектронике. Если основу составляет легколетучее вещество, то необходимо сразу же встряхнуть плату в направлении перпендикулярном плоскости платы, так чтобы излишки пасты удалились из отверстий до испарения основы. Излишки графита с поверхности удаляются растворителем или механически — шлифованием. Необходимо отметить, что размер полученного отверстия может быть меньше на 0.2 мм исходного диаметра. Загрязненные отверстия можно прочистить с помощью иглы или иначе. Кроме аэрозолей можно использовать коллоидные растворы графита. Далее на проводящие цилиндрические поверхности отверстий осаждается медь.

Гальванический процесс осаждения хорошо отработан и широко описан в литературе. Установка для проведения данной операции представляет собой ёмкость, заполненную раствором электролита (насыщенный раствор Cu₂SO₄+10% раствор H₂SO₄), в которую опущены медные электроды и заготовка. Между электродами и заготовкой создается разность потенциалов, которая должна обеспечить плотность тока не более 3-х ампер на квадратный дециметр поверхности заготовки. Большая плотность тока позволяет достигать больших скоростей осаждения меди. Так для осаждения на заготовку толщиной 1.5 мм необходимо осадить до 25 мкм меди, при такой плотности этот процесс идет чуть более получаса. Для интенсификации процесса в раствор электролита могут добавляться различные присадки, а жидкость может подвергаться механическому перемешиванию, борбатажу и др. При неравномерном нанесении меди на поверхность заготовка может быть отшлифована. Процесс металлизации графитом, как правило, использует в субтрактивной технологии, т.е. перед нанесением фоторезиста.

Вся паста, оставшаяся перед нанесением меди, уменьшает свободный объем отверстия и придает отверстию неправильную форму, что осложняет дальнейший монтаж компонентов. Более надежным методом удаления остатков токопроводящей пасты является вакуумирование или продувка избыточным давлением.

Формирование фотошаблона

Вам необходимо произвести позитивную (т.е. черный = медь) полупрозрачную пленку фотошаблона. Вы никогда не сделаете действительно хорошую ПП без качественного фотошаблона, поэтому эта операция имеет большое значение. Очень важно получить четкое и предельно непрозрачное изображение топологии ПП.

На сегодняшний день и в будущем фотошаблон будут формировать с помощью компьютерных программ семейства P-CAD или пригодных для этой цели графических пакетов. В данной работе мы не будем обсуждать достоинства программного обеспечения, скажем только, что вы можете использовать любые программные продукты, но совершенно необходимо, чтобы программа выводила на печать отверстия, расположенные в центре контактной площадки, используемые при последующей операции сверления как маркеры. Практически невозможно вручную просверлить отверстия без этих ориентиров. Если вы хотите использовать CAD общего назначения или графические пакеты, то в установках программы задайте контактные площадки либо как объект, содержащий черную залитую область с белой концентрической окружностью меньшего диаметра на ее поверхности, или как незаполненную окружность, установив предварительно большую толщину линии (т.е. черное кольцо).

Как только определили расположение контактных площадок и типы линий, устанавливаем рекомендуемые минимальные размеры:
— сверлильного диаметра — (1 мил = 1/1000 дюйма) 0.8 мм Вы можете изготовить ПП и с меньшим диаметром сквозных отверстий, но это будет уже намного сложнее.
— контактные площадки для нормальных компонентов и DIL LCS: 65 мил круглые или квадратные площадки с диаметром отверстия 0.8 мм.
— ширина линии — 12.5 мил, если вам необходимо, то можно получить и 10 мил.
— пространство между центрами дорожек шириной 12.5 мил — 25 мил (возможно, чуть меньше, если позволяет модель принтера).

Необходимо заботиться о правильном диагональном соединении треков на срезах углов (сетка — 25 мил, ширина дорожки — 12.5 мил).

Фотошаблон должен быть распечатан таким образом, чтобы при экспонировании сторона, на которую наносятся чернила, была повернута к поверхности ПП, для обеспечения минимального зазора между изображением и ПП. Практически это означает, что верхняя сторона двухсторонней ПП должна быть напечатана зеркально.

Качество фотошаблона очень зависит как от устройства вывода и материала фотошаблона, так и от факторов, которые мы обсудим далее.

Материал фотошаблона

Речь идет не об использовании фотошаблона средней прозрачности — поскольку для ультрафиолетового излучения достаточно будет полупрозрачного, это не существенно, т.к. для менее прозрачного материала время экспонирования увеличивается совсем немного. Разборчивость линий, непрозрачность черных областей и скорость высыхание тонера/чернил являются намного важнее. Возможные альтернативы при печати фотошаблона:
Прозрачная ацетатная пленка (OHP)— может показаться, что это наиболее очевидная альтернатива, но эта замена может дорого обойтись. Материал имеет свойство изгибаться или искажаться от нагрева лазерным принтером, и тонер/чернила могут потрескаться и легко осыпаться. НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ
Полиэфирная чертежная пленка — хорошая, но дорогая, прекрасная размерная стабильность. Шершавая поверхность хорошо удерживает чернила или тонер. При использовании лазерного принтера необходимо брать толстую пленку, т.к. при нагревании тонкая пленка подвержена короблению. Но даже толстая пленка может деформироваться под действием некоторых принтеров. Не рекомендуется, но применение возможно.
Калька. Берите максимальную толщину, какую сможете найти — не менее 90 грамм на кв. метр (если возьмете тоньше, то она может покоробиться), 120 грамм на кв. метр будет даже лучше, но её труднее найти. Это недорого, и без особого труда можно достать в офисах. Калька обладает хорошей проницаемостью для ультрафиолетового излучения и по способности удерживать чернила близка к чертежной пленке, а по свойствам не искажаться при нагреве даже превосходит.

Устройство вывода

Pen plotters — кропотливый и медленный. Вы должны будете использовать дорогостоящую полиэфирную чертежную пленку (калька не годится, т.к. чернила наносятся одиночными линиями) и специальные чернила. Перо придется периодически чистить, т.к. оно легко засоряется. НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ.
Струйные принтеры — главная проблема при использовании — добиться необходимой непрозрачности. Эти принтеры настолько дешевы, что, конечно, их стоит попробовать, но качество их печати не сравнить с качеством лазерных принтеров. Также можно попробовать напечатать сначала на бумаге, а потом с помощью хорошего ксерокса перевести изображение на кальку.
Наборщики — для лучшего качества фотошаблона создают Postscript или PDF файл и пересылают на DTP или наборщик. Фотошаблон, изготовленный таким образом, будет иметь разрешение не менее 2400DPI, абсолютную непрозрачность черных областей и совершенную резкость изображения. Стоимость обычно приводится для одной страницы, не считая использованной области, т.е. если вы сможете мультиплицировать копии ПП или разместить на одной странице изображение обоих сторон ПП, то вы сэкономите деньги. На таких устройствах также можно сделать большую плату, формат которой не обеспечивается вашим принтером.
Лазерные принтеры — легко обеспечивают наилучшее разрешение, доступны и быстры. Используемый принтер должен иметь разрешение не менее 600dpi для всех ПП, т.к. нам необходимо сделать 40 полос на дюйм. 300DPI не сможет разделить дюйм на 40 в отличие от 600DPI.

Также важно отметить, что принтер производит хорошие черные отпечатки без вкраплений тонера. Если вы планируете купить принтер для изготовления ПП, то первоначально необходимо протестировать данную модель на обычном листе бумаги. Даже лучшие лазерные принтеры могут не покрывать полностью большие области, но это не является проблемой, если пропечатываются тонкие линии.

При использовании кальки или чертежной пленки необходимо иметь руководство по заправке бумаги в принтер и правильно осуществлять смену пленки, чтобы избежать заклинивания аппаратуры. Помните, что при производстве маленьких ПП, для экономии пленки или кальки, можно разрезать листы пополам или до нужного формата (например, разрезать А4, чтобы получить А5).

Некоторые лазерные принтеры печатают с плохой точностью, но поскольку любая ошибка линейна, то ее можно компенсировать масштабированием данных при выводе на печать.

Фоторезист

Лучше всего использовать стеклотекстолит FR4,уже с нанесенным пленочным резистом. В противном случае вам придется самостоятельно покрывать заготовку. Вам не понадобится темная комната или приглушенное освещение, просто избегайте попадания прямых солнечных лучей, минимизируя избыточное освещение, и производите проявку непосредственно после облучения ультрафиолетом.

Редко применяются жидкие фоторезисты, которые наносятся распылением и покрывают медь тонкой пленкой. Я не рекомендовал бы их использование, если вы не имеете условий для получения очень чистой поверхности или хотите получить ПП с низким разрешением.

Экспонирование

Плату, покрытую фоторезистом, необходимо подвергнуть облучению ультрафиолетовым излучением через фотошаблон, используя УФ-установку.

При экспонировании можно использовать стандартные флуоресцентные лампы и УФ камеры. Для маленькой ПП — две или четыре 8-ваттных 12″ ламп будет достаточно, для больших (А3) идеально использовать четыре 15″ 15 ваттных ламп. Чтобы определить расстояние от стекла до лампы при экспонировании, поместите лист кальки на стекле и отрегулируйте расстояние, чтобы получить необходимый уровень освещения поверхности бумаги. Необходимые вам УФ лампы продают или как сменная деталь для установки, применяемой в медицине, или лампы «черного света» для освещения дискотек. Они окрашены в белый или иногда в черный/синий цвет и светятся фиолетовым светом, который делает бумагу флуоресцентной (она начинает ярко светиться). НЕ ИСПОЛЬЗУЙТЕ коротковолновые УФ лампы, похожие на стираемые программируемые ПЗУ или бактерицидные лампы, которые имеют чистые стекла. Они испускают коротковолновое УФ излучение, которое может вызвать повреждение кожи и глаз, и не подходит для производства ПП.

Установку экспонирования можно оборудовать таймером, высвечивающим длительность воздействия излучения на ПП, предел его измерения должен быть от 2 до 10 минут с шагом 30 с. Неплохо было бы снабдить таймер звуковым сигналом, сообщающим об окончании времени экспонирования. Идеально было бы использовать механический или электронный таймер для микроволновой печи.

Вам придется экспериментировать, чтобы подобрать требуемое время экспонирования. Попробуйте провести экспонирование через каждые 30с, начиная с 20 секунд и заканчивая 10 минутами. Проявите ПП и сравните полученные разрешения. Заметьте, что при передержке изображение получается лучше, чем при недостаточном облучении.

Итак, для проведения экспонирования односторонней ПП поверните фотошаблон печатной стороной вверх на стекле установки, удалите защитную пленку и положите ПП чувствительной стороной вниз поверх фотошаблона. ПП должна быть прижата к стеклу, чтобы получить минимальный зазор для лучшего разрешения. Этого можно достичь либо положив на поверхность ПП какой-нибудь груз, либо присоединив к УФ-установки навесную крышку с каучуковым уплотнением, которая прижимает ПП к стеклу. В некоторых установках для лучшего контакта ПП фиксируют созданием вакуума под крышкой с помощью маленького вакуумного насоса.

При экспонировании двухсторонней платы сторона фотошаблона с тонером (более шершавая) прикладывается к стороне припоя ПП нормально, а к противоположной стороне (где будут размещаться компоненты) — зеркально. Приложив фотошаблоны печатной стороной друг к другу и совместив их, проверьте, чтобы все области пленки совпадали. Для этого удобно использовать столик с подсветкой, но он может быть заменен обычным дневным светом, если совмещать фотошаблоны на поверхности окна. Если при печати была потеряна координатная точность, это может привести к рассовмещению изображения с отверстиями; постарайтесь совместить пленки по среднему значению ошибки, следя за тем, чтобы переходные отверстия не выходили за края контактных площадок. После того как фотошаблоны соединены и правильно выровнены, прикрепите их к поверхности ПП скотчем в двух местах на противоположных сторонах листа (если плата большая — то по 3-м сторонам) на расстоянии 10 мм от края пластины. Оставлять промежуток между скрепками и краем ПП важно, т.к. это предотвратит повреждение кромки изображения. Используйте скрепки самого маленького размера, который сможете отыскать, чтобы толщина скрепки была не намного толще ПП.

Проэкспонируйте каждую сторону ПП по очереди. После облучения ПП вы сможете увидеть изображение топологии на пленке фоторезиста.

Наконец можно отметить, что короткое воздействие излучения на глаза не приносит вреда, но человек может почувствовать дискомфорт, особенно при использовании мощных ламп. Для рамы установки лучше использовать стекло, а не пластик, т.к. оно более жесткое и в меньшей степени подвержено появлению трещин при контакте.

Можно комбинировать УФ лампы и трубки белого света. Если у вас бывает много заказов на производство двухсторонних плат, то дешевле было бы приобрести установку двухстороннего экспонирования, где ПП помещаются между двумя световыми источниками, и излучению подвергаются обе стороны ПП одновременно.

Проявление

Главное, что нужно сказать про эту операцию, — НЕ ИСПОЛЬЗУЙТЕ ГИДРООКИСЬ НАТРИЯ при проявке фоторезиста. Это вещество совершенно не подходит для проявления ПП — помимо едкости раствора, к его недостаткам можно отнести сильную чувствительность к перемене температуры и концентрации, а также нестойкость. Это вещество слишком слабое, чтобы проявить все изображение и слишком сильное, чтобы растворить фоторезист. Т.е. с помощью этого раствора невозможно получить приемлемый результат, особенно если вы устроили свою лабораторию в помещении с частой сменой температуры (гараж, навес и т.п.).

Намного лучше в качестве проявителя раствор, произведенный на основе эфира кремневой кислоты, который продается в виде жидкого концентрата. Его химический состав — Na₂SiO₃*5H₂O. Это вещество обладает огромным числом достоинств. Наиболее важным является то, что в нем очень трудно передержать ПП. Вы можете оставить ПП на точно не фиксированное время. Это также означает, что он почти не изменяет своих свойств при перепадах температуры — нет риска распада при увеличении температуры. Этот раствор также имеет очень большой срок хранения, и его концентрация сохраняется постоянной не менее пары лет.

Отсутствие проблемы передержки в растворе позволит вам увеличить его концентрацию для уменьшения времени проявления ПП. Рекомендуется смешивать 1 часть концентрата со 180 частями воды, т.е. в 200 мл воды содержится чуть более 1,7 гр. силиката, но возможно сделать более концентрированную смесь, чтобы изображение проявлялось примерно за 5 с без риска разрушения поверхности при передержке, при невозможности приобретения силиката натрия, можно использовать углекислый натрий или калий (Na₂СO₃).

Вы можете контролировать процесс проявки погружением ПП в хлорид железа на очень короткое время — медь тотчас же потускнеет, при этом можно различить форму линий изображения. Если остаются блестящие участки или промежутки между линиями расплывчаты, промойте плату и подержите в проявочном растворе еще несколько секунд. На поверхности недодержанной ПП может остаться тонкий слой резиста, не удаленный растворителем. Чтобы удалить остатки пленки нужно мягко протереть ПП бумажным полотенцем, шероховатость которого достаточна, чтобы удалить фоторезист без повреждения проводников.

Вы можете использовать либо фотолитографическую проявочную ванну, либо вертикальный бак для проявки — ванна удобна тем, что она позволяет контролировать процесс проявки, не вынимая ПП из раствора. Вам не понадобятся нагреваемые ванны или баки, если температура раствора будет поддерживаться не меньше 15 градусов.

Еще один рецепт проявочного раствора: Взять 200 мл «жидкого стекла», добавить 800 мл дистиллированной воды и размешайте. Затем к этой смеси добавьте 400 г гидроксида натрия.

Меры предосторожности: Никогда не берите твердый гидроксид натрия руками, используйте перчатки. При растворении гидроксида натрия в воде выделяется большое количество тепла, поэтому растворять его надо небольшими порциями. Если раствор стал слишком горячим, то прежде чем добавить очередную порцию порошка, дайте ему остыть. Раствор очень едкий, и поэтому при работе с ним необходимо надеть защитные очки. Жидкое стекло также известно как » раствор силиката натрия» и » яичный консерватор». Оно используется для чистки водосточных труб и продается в любом хозяйственном магазине. Этот раствор нельзя сделать простым растворением твердого силиката натрия. Описанный выше проявочный раствор имеет такую же интенсивность, как и концентрат, и поэтому его необходимо разбавлять — на 1 часть концентрата 4-8 частей воды в зависимости от используемого резиста и температуры.

Травление

Обычно в качестве травителя используют хлорид железа. Это очень вредное вещество, но его легко получать и оно намного дешевле, чем большинство аналогов. Хлорид железа травит любой металл, включая нержавеющие стали, поэтому при установке оборудования для травления используйте пластический или керамический водослив, с пластиковыми винтами и шурупами, и при присоединении любых материалов болтами, их головки должны иметь кремнево-каучуковое уплотнение. Если же у вас металлические трубы, то защитите их пластиком (при установке нового слив идеально было бы использовать термостойкий пластик). Испарение раствора обычно происходит не очень интенсивно, но когда ванны или бак не используются, их лучше накрывать.

Рекомендуется использовать гексагидрат хлорида железа, который имеет желтую окраску, и продается в виде порошка или гранул. Для получения раствора их необходимо залить теплой водой и размешать до полного растворения. Производство можно существенно улучшить с точки зрения экологии, добавив в раствор чайную ложку столовой соли. Иногда встречается обезвоженный хлорид железа, который имеет вид коричнево-зеленых гранул. По возможности избегайте использования этого вещества. Его можно применять только в крайнем случае, т.к. при растворении в воде он выделяет большое количество тепла. Если вы все-таки решили сделать из него травильный раствор, то ни в коем случае не заливайте порошок водой. Гранулы нужно очень осторожно и постепенно добавлять к воде. Если получившийся раствор хлорного железа не вытравливает до конца резист, то попробуйте добавить небольшое количество соляной кислоты и оставить его на 1-2 дня.

Все манипуляции с растворами необходимо проводить очень аккуратно. Нельзя допускать разбрызгивания травителей обоих типов, т.к. при их смешении может произойти небольшой взрыв, из-за которого жидкость выплеснется из контейнера и может попасть в глаза или на одежду, что опасно. Поэтому во время работы надевайте перчатки и защитные очки и сразу же смывайте любые капли, попавшие на кожу.

Если вы производите ПП на профессиональной основе, где время — деньги, вы можете использовать нагреваемые емкости для травления, чтобы увеличить скорость процесса. Со свежим горячим FeCl ПП будут полностью вытравливаться за 5 минут при температуре раствора 30-50 градусов. При этом получается лучшее качество края и более равномерная ширина линий изображения. Вместо использования ванн с подогревом можно поместить травильный поддон в емкость большего размера, наполненную горячей водой.

Если вы не используете емкость с подведенным воздухом для бурления раствора, то вам необходимо периодически передвигать плату, чтобы обеспечить равномерное травление.

Лужение

Нанесения олова на поверхность ПП проводят для облегчения пайки. Операция металлизации состоит в осаждении тонкого слоя олова(не более 2 мкм)на поверхности меди.

Подготовка поверхности ПП является очень важной стадией перед началом металлизации. Прежде всего, вам необходимо снять остатки фоторезиста, для чего можно использовать специальные очищающие растворы. Наиболее распространённый раствор для снятия резиста — трёхпроцентный раствор KOH или NaOH, нагретый до 40 — 50 градусов. Плату погружают в этот раствор, и фоторезист через некоторое время отслаивается от медной поверхности. Процедив, раствор можно использовать повторно. Другой рецепт — с помощью метанола (метиловый спирт). Очищение производят следующим образом: удерживая ПП (промытую и высушенную) горизонтально, капните несколько капель метанола на поверхность, затем, немного наклоняя плату, постарайтесь, чтобы капли спирта растеклись по всей поверхности. Подождите около 10 секунд и протрите плату салфеткой, если резист остался, повторите операцию еще раз. Затем протрите поверхность ПП проволочной мочалкой (которая дает намного лучший результат, чем наждачная бумага или абразивные ролики), пока не добьетесь блестящей поверхности, протрите салфеткой, чтобы убрать частички, оставшиеся после мочалки, и немедленно поместите плату в раствор для лужения. Не касайтесь поверхности платы пальцами после очистки. В процессе пайки олово может смачиваться расплавом припоя. Паять лучше мягкими припоями с бескислотными флюсами. Следует обратить внимание, что если между технологическими операциями существует некоторый промежуток времени, то плату необходимо декапировать, чтобы удалить образовавшийся окисел меди: 2-3с в 5% растворе соляной кислоты с последующей промывкой в проточной воде. Достаточно просто осуществлять химическое лужение, для этого плату опускают в водный раствор, содержащий хлорное олово. Выделение олова на поверхности медного покрытия происходит при погружении в такое раствор соли олова, в которой потенциал меди более электроотрицателен, чем материал покрытия. Изменению потенциала в нужном направлении способствует введение в раствор соли олова комплексообразуещей добавки — тиокарбамида (тиомочевины), цианида щелочного металла. Такого типа растворы имеют следующий состав (г/л):

1	2	3	4	5
Двухлористое олово SnCl₂*2H₂O	5.5	5-8	4	20	10
Тиокарбомид CS(NH₂)₂	50	35-50	—	—	—
Серная кислота H₂SO₄	—	30-40	—	—	—
KCN	—	—	50	—	—
Винная кислота C₄H₆O₆	35	—	—	—	—
NaOH	—	6	—	—	—
Молочнокислый натрий	—	—	—	200	—
Сернокислый алюминий-аммоний (алюмоаммонийные квасцы)	—	—	—	—	300
Температура, С o	60-70	50-60	18-25	18-25	18-25

Среди выше перечисленных наиболее распространены растворы 1 и 2. Внимание! Раствор на основе цианистого калия чрезвычайно ядовит!

Иногда в качестве поверхностно-активного вещества для 1 раствора предлагается использование моющего средство «Прогресс» в количестве 1 мл/л. Добавление во 2 раствор 2-3 г/л нитрата висмута приводит к осаждению сплава, содержащего до 1,5% висмута, что улучшает паяемость покрытия и сохраняет ее в течение нескольких месяцев. Для консервации поверхности применяют аэрозольные распылители на основе флюсующих композиций. Нанесенный на поверхность заготовки лак после высыхания образует прочную гладкую пленку, которая препятствует окислению. Одним из популярных таких веществ является «SOLDERLAC» фирмы Cramolin. Последующая пайка проходит прямо по обработанной поверхности без дополнительного удаления лака. В особо ответственных случаях пайки лак можно удалить спиртовым раствором.

Искусственные растворы для лужения ухудшаются с течением времени, особенно при контакте с воздухом. Поэтому если у вас не регулярно бывают большие заказы, то старайтесь приготовить сразу небольшое количество раствора, достаточное для лужения нужного количество ПП, остатки раствора храните в закрытой емкости (идеально использовать одну из бутылок, использующуюся в фотографии, не пропускающую воздух). Также необходимо защищать раствор от загрязнений, которые могут очень ухудшить качество вещества. Тщательно очищайте и высушивайте заготовку перед каждой технологической операцией. У вас должен быть специальный поднос и щипцы для этих целей. После использования инструменты также необходимо хорошо очистить.

Наиболее популярным и простым расплавом для лужения является легкоплавкий сплав — «Розе» (олово — 25%, свинец — 25%, висмут — 50%), температура плавления которого 130 С o . Плату при помощи щипцов помещают под уровень жидкого расплава на 5-10 с, и вынув проверяют все ли медные поверхности равномерно покрыты. При необходимости операцию повторяют. Сразу же после вынимания платы из расплава его удаляют либо с помощью резинового ракеля, либо резким встряхиванием в направлении перпендикулярном плоскости платы, удерживая ее в зажиме. Другим способом удаления остатков сплава «Розе» является ее нагрев в термошкафу и встряхивание. Операция может проводится повторно для достижения монотолщинного покрытия. Для предотвращения окисления горячего расплава в раствор добавляют нитроглицерин, так чтобы его уровень покрывал расплав на 10 мм. После операции плата отмывается от глицерина в проточной воде.

Внимание! Данные операции предполагают работу с установками и материалами, находящимися под действием высокой температуры, поэтому для предотвращения ожега необходимо пользоваться защитными перчатками, очками и фартуками. Операция лужения сплавом олово-свинец протекает аналогично, но более высокая температура расплава ограничивает область применения данного способа в условиях кустарного производства.

Металлизация отверстий печатных плат

В процессе металлизации отверстий печатных плат выделяют 3 этапа:

— подготовка отверстий (обеспечивает удаление замазывания -desmear, и условие формирования торцевого контакта – прямой или обратный подтрав -etch-back);

— формирование проводящего подслоя на диэлектрике в просверленных отверстиях;

— гальваническое наращивание основного слоя меди, требования к которому изложены в п.2.3.4. ГОСТ 23752.

НТД о металлизации

По IPC H:d (aspect ratio) определяется, как отношение толщины (печатных плат) к минимальному диаметру просверленного отверстия (диаметру сверла).

По отечественному ГОСТ 23 751 -86 — H:d (или обратная величина — γ) определялась, как отношение толщины (печатных плат) к минимальному диаметру металлизированного отверстия, т.е. как минимум на 0,05 мм меньше (в вышедшем ему на замену ГОСТ Р 53429-2009) упоминание об «aspect ratio» отсутствует вообще.

Примечание. Тем не менее для достаточно глубокого понимания содержания статей и документов надо понимать, что отечественная норма соответствовала меньшей норме по IPC, особенно для малых диаметров (например H:d=20:1 или γ=0,05 по отечественным НТД для диаметра сверла 0,15 мм соответствует H:d=13,5:1 по IPC).

Еще один параметр, характеризующий металлизацию отверстий – распределение наносимой меди по длине отверстия (TP – англоязычная аббревиатура). Этот параметр позволяет оценить возможность техпроцесса металлизации (особенно для малых диаметров отверстия, использующих прямую металлизацию) наносить достаточную толщину столба металлизации без неадекватного сужения просвета отверстия. К сожаления отечественные НТД никак не специфицируют эту величину. На рис. 94 показаны два варианта оценки распределения:

— по IPC –наиболее точный;

— оперативный (TPMIN), часто используемый технологами – практиками для быстрой оценки.

ГОСТ 23752 специфицирует минимально допустимую среднюю толщину металлизации для двухсторонних печатных плат – 20 мкм, для многослойных печатных плат – 25 мкм.

Подготовка отверстий

Известны 3 метода подготовки отверстий:

— Перманганатная обработка (дешевая и относительно эффективная, но имеет ограничения по маркам ДЭ – совсем не травит фторпласт и плохо работает с полиимидом).

— Плазмохимическая подготовка (требует сложного инженерного обеспечения и высоко квалифицированного персонала). Для стеклотекстолита при длительном воздействии или выборе агрессивных режимов по частоте сильно утравливает ДЭ, образуя внутри отверстия «щетку» стеклянных волокон (рис.95). При этом столб металлизации частично заполненный кончиками стекловолокон приобретает увеличенное, по сравнению со сплошной медью сопротивление.

— Травление в составах с плавиковой ( или др. концентрированной) кислотой (устаревший и очень вредный для персонала метод, сегодня практически не применяется в реальном производстве).

Химмеднение и прямая металлизация.

Эти химические процессы (в них не присутствует воздействие внешних источников тока) формируют проводящий подслой на диэлектрике в просверленных отверстиях, по которому впоследствии производят гальваническое наращивание меди. При этом реализуется один из основных параметров печатной платы: соотношение толщины печатной платы к минимальному диаметру сверления (H/d) при формировании достаточной толщины слоя пластичной гальванической меди на стенке отверстия. В современных высокоплотных прецизионных печатных платах это соотношение достигает 10…12/1 (а в наиболее сложных печатных плат и 20/1) – для сквозных отверстий и 1,0 — 1,2/1 (макс 1,5/1) – для глухих отверстий. Главной задачей, которая выполняется в результате этих процессов, является формирование надежных торцевых контактов.

При химмеднении в торцевом контакте металлизированного отверстия печатной платы гальваническая медь, формируемая в процессе металлизации отверстия, контактирует с фольгой внутренних слоев через прослойку осадка химической меди. Эта прослойка является самым слабым местом. По своей природе химически осажденная медь имеет рыхлую пористую структуру, способную поглощать влагу, газы, растворы электролитов и обладающую низкой механической прочностью.

Разрушение торцевого контакта при эксплуатационных воздействиях (в основном, температурных, термоциклических) происходит, как правило, по слою химической меди. Одним из главных условий формирования надежного торцевого контакта является эпитаксиальное сращивание слоя гальванической меди столба металлизации и торца фольги, которое возможно только сквозь слой химической меди толщиной не более 0,8…1 мкм (рис.96). Таким образом, при реализации процесса химического меднения возникает довольно трудно разрешимая технологическая коллизия:

— с одной стороны, для надежного покрытия всей поверхности столба отверстия хочется нанести побольше химмеди (сделать ее потолще);

— с другой стороны, толщина химмеди для формирования надежного торцевого контакта и обеспечения эпитаксиального сращивания с фольгой слоя не должна быть больше 1- 1,5 мкм.

Не хочу сказать, что эта коллизия является неразрешимой, но она требует очень глубокого изучения химизма процессов и значительных усилий для поддержания составов рабочих растворов и режимов на всех стадиях процесса.

Для примера могу привести ситуацию, которая на меня, как на человека, не имеющего фундаментального химического образования, произвела неизгладимое впечатление.

В техпроцессе химической металлизации, согласно которому мы работали много лет, ионы меди были связаны в комплексы с участием сегнетовой соли (калий-натрий виннокислый). Как выяснилось, в составе поставляемой соли могут находиться соли нескольких изомеров винной кислоты, из которых только один является комплексообразователем. Его массовая доля в производимом в РФ продукте не регламентируется и поэтому может меняться. Однако от содержания именно этого изомера напрямую зависит скорость осаждения, а следовательно, толщина слоя химической меди. При завозе каждой новой партии соли начинались проблемы с надежностью торцевых контактов. Понадобилось достаточно много времени и усилий, чтобы разобраться в причинах, отработать методики входного контроля соли. Но это всего лишь один пример одного из этапов многостадийного сложного процесса.

Проблема адгезии, связанная с увеличением толщины рыхлого, механически не прочного, газонаполненного слоя химической меди проявляется не только в районе торцевого контакта, но и по всей поверхности проводников наружного слоя, так как прослойка химмеди лежит везде, где на фольгу наносится гальваническая медь ( рис. 97).

К дополнительным недостаткам химмеднения можно отнести наличие в составе рабочих растворов и, следовательно, в сливах вредных (с очень низкими ПДК), трудно извлекаемых веществ (формалин, сегнетова соль, ЭДТА и др.).

Прямая металлизация лишена основного недостатка химмеднения – наличия дополнительного слоя между фольгой и гальванической медью. Проводящий подслой, формируемый в процессе прямой металлизации, на заключительной стадии процесса лежит только на диэлектрике. Естественно при условии его правильной реализации ( рис.98).

Кроме того к преимуществам прямой металлизации следует отнести отсутствие выделения водорода («питинга»), приводящего к образованию дефектов металлизации отверстий, особенно малого диаметра. Еще одним преимуществом является возможность реализации процесса прямой металлизации на высокопроизводительных конвейерных установках.

Переход от химической к прямой металлизации не обязательно связан с приобретением новой линии. Поскольку процесс прямой металлизации имеет меньшую стадийность, линии химической металлизации достаточны для реализации этого процесса.

Существующие процессы прямой металлизации по типу формируемых токопроводящих слоев можно разделить на 3 типа. Приведу краткие их характеристики:

1. Токопроводящий слой на основе графита. Применяется в основном для двухсторонних печатных плат. Техпроцесс компактен, дешев, высокопроизводителен. Суть процесса состоит в обработке печатных плат в тонкодисперсной суспензии графита. Частицы графита, имеющие размеры от нескольких десятков до нескольких сотен нм, адсорбируются на обрабатываемой поверхности и после высушивания приобретают проводимость за счет наличия металлической связи между атомами углерода. Углеродные частицы с медной поверхности удаляются микротравлением.

К преимуществам процессов на основе графита следует отнести их простоту, компактность, относительную дешевизну, высокую производительность. Успех процесса во многом зависит от равномерности распределения частиц по размерам в суспензии. Иными словами, частички должны быть преимущественно одного размера. Однако в ходе эксплуатации суспензии они слипаются и укрупняются. Такие укрупненные частицы дают рыхлый, отслаивающийся осадок. Адгезия гальванической меди к нему недостаточна. Поэтому периодически необходимо проводить анализ суспензии графита, который требует соответствующего оборудования. Технологическое окно процесса, обеспечивающего достаточно высокую надежность, очень узкое, что предполагает выполнение частых корректировок и удорожает данную операцию. Поэтому процесс применяется, как правило, для изготовления двухсторонних печатных плат и многослойных печатных плат бытовой техники, эксплуатирующихся в аппаратуре с коротким жизненным циклом.

2. Токопроводящий слой на основе палладия. Этот метод наиболее распространен для изготовления многослойных печатных плат, в том числе спецприменения. Его идея заключается в том , что уже на стадии активации палладий настолько диспергирован по поверхности, что образует сплошную проводящую (с полупроводниковой проводимостью) пленку без последующей стадии химического осаждения меди.

Существуют техпроцессы палладиевой прямой металлизации с разными механизмами формированиями коллоидных растворов. При этом адсорбция мицелл или промоутерного слоя происходит как на диэлектрике, так и на меди, и требует удаления этих слоев с поверхности меди активной промывкой и микротравлением для того, чтобы между фольгой и гальванической медью не оставалось разделительного слоя ( рис. 99 ).

Распределение (отношение толщины меди в центре к толщине на входе в отверстие) в процессах прямой металлизации не более 75%. Надежно реализуемое H:d (aspect ratio) для сквозных отверстий 8:1, для глухих – 1,2:1.

3. Проводящий слой на основе проводящего полимера.

Проводимость в этом методе создается путем полимеризации мономеров органических веществ, причем из-за особенностей процесса полимеризации проводимость возникает только на участках диэлектрика внутри отверстия. Для этого метода стадия микротравления и промежуточной промывки не требуется, и поэтому процессы на основе проводящих полимеров обеспечивают высокую прочность связи Cu-Cu в торцевых контактах, которая сохраняется и после многократных термовоздействий. Однако проводимость этих слоев также сравнима по величине с проводимостью слоев на основе графита и сульфида Pd. Этот метод перспективен, инновационен, но мало освоен за рубежом. И совсем не освоен в РФ.

Суммируя выше изложенное к преимуществам прямой металлизации следует отнести:

1. Отсутствие в рабочих растворах формалина и сильных комплексообразователей.
2. Короткое время создания поверхностной проводимости диэлектрика —

Что же выбрать: химмедь или прямую металлизацию?

Если процесс химмеднения освоен, стабилен, понятен и нормально работает в течение долгого времени, по-видимому, надо следовать рекомендации: «От добра — добра не ищут». Если же речь идет о модернизации или создании нового производства, а планируемая номенклатура и объемы изготовления печатных плат требуют существенного снижения производственных издержек, и конструкция выпускаемых печатных плат (в первую очередь H:d) допускает использование прямой металлизации, тогда, наверное, стоит остановиться на одном из процессов прямой металлизации.

Следует учитывать, что проводящие слои предварительной металлизации, формируемые всеми тремя описанными ранее методами прямой металлизации, имеют относительно маленькую толщину и полупроводниковую проводимость, при этом дальнейшее наращивание толщины при гальваническом процессе происходит от входа в отверстие к его середине. Что ограничивает максимально достижимое распределение меди и соответственно максимально достижимое H:d.

Некоторые процессы палладиевой прямой металлизации позволяют увеличивать проводимость слоя предварительной металлизации за счет увеличения плотности засева поверхности диэлектрика палладиевыми мицеллами. Это несколько улучшает распределение меди в отверстии, но при этом увеличивает расход палладия и при всем при том не позволяет достичь проводимости как у химмеди. Так при технологии химмеди, слой предварительной металлизации имеет металлическую проводимость и дальнейшее наращивание толщины происходит в направлении перпендикулярном стенок отверстия. Это позволяет реализовать высокие величины параметра распределения меди в отверстии и соответственно реализовывать существенно более высокие, чем при прямой металлизации значения H:d.

В настоящее время в производстве многослойных печатных плат для создания проводящего слоя в отверстиях используется как химмеднение, так и прямая металлизация. Проводимость диэлектрических стенок отверстий создается уже на этапе активации, которая присутствует и в процессе химмеднения, и в процессе прямой металлизации. Однако в процессе прямой металлизации стадия химического осаждения меди исключается. В связи с этим прямая металлизация лишена недостатков, свойственных химмеди, и конечно же, предпочтительна для простых многослойных печатных плат с H:d до 10:1. Продолжающееся же использование химического меднения для изготовления относительно простых многослойных печатных плат в значительной степени связано с консервативностью производителей и их нежеланием отказываться от хорошо отлаженного процесса.

При этом на большинстве производств, в особенности тех, которые заботятся о перспективах своего развития, по-видимому целесообразно принять следующую стратегию организации на этапе гальванического нанесения:

Поскольку соотношение печатных плат с большим и малым H:d (aspect ratio) соответственно ≈20%/80% целесообразно иметь 2 линии металлизации:

Высокопроизводительную — с прямой металлизацией (палладиевой или проводящими полимерами) для печатных плат с «малым» H:d≤ 8:1 (т.е для изготовления больших количеств относительно простых печатных плат). Такая линия обеспечит текущую программу и может быть основой контрактного производства.

Относительно малопроизводительную — с химмедью, с гальваническим заполнением отверстий, для печатных плат с «большим» H:d (до 20:1), вибрацией, безвоздушным перемешиванием (сопла Вентури), принудительной подачей раствора по площади заготовки (для изготовления сложных, инновационных, но достаточно дорогих печатных плат). Такая линия позволит разработчикам реализовать инновационные идеи и сократит цикл прототипирования и сроки реализации новых разработок в целом.

Основная гальваника.

Гальваническое осаждение меди было открыто в 1838 г. русским академиком Б.С. Якоби. С этого времени меднение широко применяется во многих отраслях промышленности.

Вообще существует большое разнообразие рабочих процессов гальванического меднения, но в производстве печатных плат, как правило, используются процессы на основе кислых сульфатных электролитов, обладающие следующими преимуществами:

— высокая рассеивающая способность;
— обеспечение высокой пластичности осаждаемой меди;
— минимальное воздействие на фоторезисты (при работе по полуаддитивному процессу);
— простота и технологичность в эксплуатации;
— приемлемая стоимость материалов, применяемых для приготовления и корректирования электролита (включая контроль и корректировку по содержанию добавок).

Количественно процессы гальванической металлизации описываются законами Фарадея, согласно которым масса вещества высадившегося при электролизе прямо пропорциональна количеству электричества. Коэффициентом пропорциональности является теоретический электрохимический эквивалент (К), связанный с постоянной Фарадея

F = 96 500 кл\(г x атом)

Для двухвалентной меди К = 1,186 г\кл. На практике теоретический эквивалент достигается очень редко. Электричество расходуется на побочные процессы на электродах. Отношение действительно осажденной массы к предполагаемой называется выходом по току.

В РФ распространено нанесение основного гальванического покрытия в 2этапа:

— так называемая – «гальваническая затяжка» -≈ 6 мкм;
— основная гальваника – 15 ÷20 мкм.

Такая стратегия удобна по двум причинам:

— к двум указанным процессам предъявляются технически противоположные требования (в затяжке главной задачей является рассеивающая способность, обеспечивающая хорошее прокрытие столба отверстия, а в основной гальванике главной задачей является пластичность, обеспечивающая технологическую и эксплуатационную стойкость);
— нанесение коррозионно более стойкого гальванического покрытия «затяжкой» поверх тонкой предварительной химической металлизации, позволяет увеличивать допустимые межоперационные промежутки, что очень удобно в реальном производстве.

Рассеивающая способность и пластичность медного покрытия, обеспечиваются добавками в электролите, концентрацию которых необходимо контролировать и поддерживать в определенных пределах.

Контроль концентрации добавок проводят с помощью ячейки Хулла или методом вольтамперометрии (CVS).

А) Для осуществления быстрого исследования и тестирования работоспособности различных электролитов, применяемых в гальваническом производстве, используется электрохимическая ячейка с угловым катодом — ячейка Хулла.

Ячейка Хулла представляет собой гальваническую ванну объёмом ≈ 250 мл, в которой катод расположен к аноду под углом ≈ 50⁰. При электроосаждении в такой ячейке при средней плотности 2 А/дм2 (соответствует силе тока 1А) на катодной пластине реализуются плотности тока от 0,1 А/дм2 на дальнем от анода участке до 8-9 А/дм2 на ближнем к аноду участке.

Основные функции ячейки Хулла:

— быстрое определение возможных причин неполадок работы электролита на основании полученного покрытия;
— определение рассеивающей способности электролита по току (качественная характеристика состава электролита по основным компонентам);
— определение рассеивающей способности электролита по металлу (зависимость толщины покрытия от плотности тока);
— определение расхода блеско образующих добавок, проверка качества блеско образователей;
— определение количества блеско образующих добавок, необходимых для корректирования электролита; выбор рабочего диапазона плотностей тока, определение внешнего вида покрытий в зависимости от плотности тока;
— оценка степени загрязнения электролита ионами тяжёлых металлов и органическими веществами, проверка качества основных химикатов;
— сравнительная характеристика различных блеско образующих добавок.

При тестировании электролита в ячейке Хулла с целью определения возможных причин дефектов покрытия, он должен быть откорректирован по содержанию основных компонентов (на основании данных химического анализа) и по рН (при необходимости). Электроосаждение проводится обычно в течение 10-20 минут на заранее подготовленную пластину. Сила тока составляет в большинстве случаев 1 А.

Кроме определения возможных причин брака, ячейка Хулла может использоваться для определения количества блеско образующих добавок, необходимого для корректировки электролита. Для этого в подготовленную для исследования пробу вводится небольшое количество добавки (10-15% от исходной концентрации). Если при этом удовлетворительный результат не получен, то снова вводится добавка в том же количестве, и так до получения блестящего покрытия. После этого суммарное количество введенной добавки пересчитывается из объема ячейки на объем процессной ванны.

Еще одной важной функцией ячейки Хулла может быть входной контроль качества добавок, поступающих на производство, а также сравнительная характеристика различных добавок, в изобилии предлагаемых производителями в современных условиях рынка. В этом случае, используя свежеприготовленные электролиты, можно оценить (или сравнить) качество покрытия, получаемого при различных плотностях тока при применении данной добавки, определить ее примерный расход, стабильность процесса и, таким образом, установить соответствие добавки техническим условиям, сравнить экономические показатели (качество-расход-цена) различных добавок.

Б) Последнее время все более широкое распространение получают процессы использующие для контроля концентрации добавок циклическую вольтамперометрию.

При работе с электролитами меднения отверстий печатных плат для получения блестящих покрытий особое внимание следует уделять анодам. Обычно используют аноды марки АМФ, не дающие шлама и содержащие 0,03‒0,06 % фосфора. В настоящее время промышленностью выпускаются шариковые аноды, которые загружаются в процессные ванны в титановых корзинах.

Допустимо применять аноды из чистой рафинированной меди (99,9 %), содержащей не более 0,1 % примесей.

Взвешенные частицы шлама обычно являются причиной грубого шероховатого осадка. Для предотвращения попадания шлама в электролит рекомендуется аноды помещать в чехлы из кислотостойкого материала и вести непрерывную фильтрацию электролита.

Пластичность — это основной критерий качества осаждаемого медного покрытия.

Чем это вызвано?

Известно, что в структуре печатных плат имеются материалы. ТКР которых может отличаться на несколько порядков. Под воздействием температур при изготовлении, монтаже и эксплуатации платы возникают растягивающиеся усилия по высоте столба металлизации, то есть вдоль металлизированного отверстия. Это растяжение, в зависимости от конструкции платы, может составлять до 8-10 %. Чтобы столб медного покрытия внутри отверстия выдержал это растяжение без разрыва, медь должна обладать достаточной пластичностью. В первую очередь это относится к печатных плат поверхностного монтажа, так как они в процессе групповой пайки в конвеерных печах подвергаются нагреву до 200-260 С⁰.

При выполнении процесса электроосаждения меди очень важно следить за чистотой электролита. Загрязнение электролита органическими веществами — основная причина дефектов металлизации в том числе связанных с уменьшением пластичности. Источниками органических загрязнений являются:

— фоторезисты;
— продукты разложения добавок.

Кстати первая причина при «тентинг»-методе исключается, поскольку при этом методе изготовления гальваническое меднение наносится на плату без фоторезиста , что является одним из достоинств метода.

Причины разложения добавок:

— Попадание в электролит подготовительных растворов микротравления, содержащих перекисные соединения, что является следствием плохой межоперационной промывки.
— Поляризация анодов, которая может возникать при избытке хлоридов в электролите, а также при высокой анодной плотности тока и использовании нефосфористых анодов. Дефекты, возникающие при загрязнении электролита органическими веществами:
— неравномерное покрытие;
— точечная коррозия;
— отсутствие блеска;
— уменьшение пластичности.

Для получения пластичных осадков в мировой практике используют сернокислые электролиты меднения со специальными добавками.

Для исключения дефектов покрытия, вызванных накоплением органических загрязнителей, производится очистка электролита.

В производствах для очистки рабочих растворов обычно используют угольную ткань. АУСФ — это активированная угольная ткань, имеющая высокую сорбционную емкость, благодаря чему время очистки электролита от органических примесей существенно сокращается. Ткань АУСФ значительно упрощает технологию очистки электролитов от органических примесей (не требуется предварительной промывки и прокаливания ее при высокой температуре). Процесс очистки электролитов прост и удобен, может производиться на работающей ванне в непрерывном режиме.

Надежность печатных плат во многом определяется пластичностью металлизации отверстий. Поэтому контроль пластичности медных осадков – важный фактор технологического обеспечения надежности межсоединений.

В настоящее время наибольшее распространение получили два метода контроля пластичности.

Как подготовить печатную плату к производству. Урок 1. Отверстия.

Прежде всего необходимо правильно заложить диаметры монтажных отверстий. Необходимо обратить внимание на допуски, которые предусмотрены по ГОСТ Р 53429-2009 для металлизированных отверстий с оплавлением (ПОС, HAL, горячее лужение). Как правило они все «минусовые» и весьма значительно. Для покрытия без оплавления (иммерсионное олово, иммерсионное золото, олово-кобальт ) эти допуски немного меньше.

Номинальный диаметр монтажных металлизированных и неметаллизированных отверстий устанавливают, исходя из соотношения

d – |Δdн.о.| >= Δdэ + r

Δdн.о. — нижнее предельное отклонение диаметра отверстия;

Δdэ — максимальное значение диаметра вывода компонента, устанавливаемого на печатную плату (для прямоугольных выводов за диаметр берётся диагональ его сечения);

r — разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого компонента. Значение r рекомендуется выбирать с учётом допусков на расположение выводов на корпусе устанавливаемого компонента и позиционного допуска расположения оси отверстия.

Расчётное значение диаметра отверстия следует округлять в сторону увеличения до десятых долей миллиметра. Диаметр монтажного отверстия выбирают таким образом, чтобы значение r было

от 0.1 до 0.4 мм при ручной установке компонентов и от 0.4 до 0.5 мм — при автоматической.

Уменьшение этого значения допускается по согласованию с заводом-изготовителем.

Предельные отклонения диаметров монтажных отверстий при автоматической установке компонентов устанавливают не ниже 3-го класса точности по ГОСТ Р 53429-2009 независимо от класса точности печатной платы. Если вы в присылаемом заказе указываете диаметры отверстий, которые желаете получить на готовой плате, то: во-первых, обязательно отразить этот момент в бланке заказа; во-вторых, это означает, что вы закладываете положительный допуск на отверстия; например, вместо обычного (по ГОСТ) отверстия 1.0 -0.13 вы закладываете 1.0 +0.13 (т.к. по ГОСТ допускается устанавливать другие значения предельных отклонений при сохранении величины допуска). При этом следует обратить внимание, что закладываемый минимальный диаметр контактной площадки рассчитывается исходя из максимального диаметра отверстия, с учётом его допуска. Например, если вы хотите получить на готовой плате отверстие 1.0, то площадку вы должны теперь заложить 1.0 + 0.13 (допуск на отверстие) + 0.2*2 (минимальный ободок) = 1.53.

Металлизированные и неметаллизированные отверстия

Для металлизированных отверстий обязательно наличие площадок на TOP и на BOOTOM. Во внутренних слоях многолойных печатных плат допускается убирать площадки, к которым нет подключения. Но это мыв можем сделать и сами при подготовке платы к производству. Для неметаллизированных отверстий

Крепёжные отверстия

Отдельно стоит остановиться на крепёжных отверстиях. Номинальный ряд для крепёжных отверстий и допуски на них устанавливаются в ГОСТ 11284-75. Допуск на крепёжные отверстия по Н12, т.е. всегда «плюсовой». В связи с тем, что нам практически невозможно однозначно отличить монтажные отверстия без металлизации (с допуском «плюс-минус») от крепёжных отверстий (с допуском только «плюс»), необходимо либо конкретно указать эти крепёжные отверстия, либо конструктору печатной платы заложить увеличенное отверстие, чтобы производитель считал его обычным монтажным отверстием без металлизации.

Глухие переходные отверстия

Глухие переходные отверстия (blind via) — металлизированные отверстия многослойной печатной платы, имеющее выход только на одну из сторон печатной платы, т.е. с внешнего слоя до какого-либо внутреннего. Особенностью таких отверстий является ограничение на минимальный диаметр — он не может быть меньше глубины сверления. Это связано с замкнутостью пространства «стакана» и соответствующими трудностями металлизации таких отверстий. Поэтому рекомендуется применять глухие переходные отверстия для соединения внешнего слоя с ближайшим внутренним.

Комплексные PadStack

Не используйте без крайней необходимости комплексные (Complex) падстеки? используйте простые (Simple). В PCAD-200х (возможно и в других САПР) есть такая особенность. Для комплексных падстеков можно описать через какие слои проходит отверстие. Соответственно оно будет выдаваться в файл сверловки для соответствующих слоёв. Но чаще всего, по незнанию, используя комплексные падстеки, убирают само отверстие, оставляя лишь площадки. Такое «отверстие» выдаваться в файл сверловки не будет, т.к. его нет, хотя в описании присутствует диаметр сверла.

Чтобы отверстие выдалось в файл сверловки отверстие между слоями должно присутствовать в описании комплексной площадки.