/
ISBN: 5-94836-052-0
Текст
элект
А. МЕДВЕДЕВ
Т ехнология
производства
печатных плат
ТЕХНОСФЕРА
ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ ••••• Rib
ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ * ** ** •
РТС ИНЖИНИРИНГ - RTS ENGINEERING - PTC ИНЖИНИРИНГ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И РЕМОНТНЫЕ СТАНЦИИ
ЛАЗЕРНЫЕ ПЛОТТЕРЫ
ЛИНИИ СУШКИ И ЗАДУБЛИВАНИЯ
НАНЕСЕНИЕ ФОТОРЕЗИСТОВ
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ЛУЖЕНИЯ
ОПТИЧЕСКИЙ контроль
ПРЕССЫ И ПРЕССФОРМЫ ДЛЯ МПП
ПРОБИВКА БАЗОВЫХ ОТВЕРСТИЙ
ПРОЯВЛЕНИЕ И СНЯТИЕ ФОТОРЕЗИСТА
РАСКРОЙ БАЗОВОГО МАТЕРИАЛА
СВЕРЛИЛЬНЫЕ И ФРЕЗЕРНЫЕ СТАНКИ
СЕТКО-ТРАФАРЕТНАЯ ПЕЧАТЬ
СКРАЙБИРОВАНИЕ
ТРАВЛЕНИЕ (КИСЛОЕ, ЩЕЛОЧНОЕ)
УСТАНОВКИ ЭКСПОНИРОВАНИЯ
ХИМИКО-ГАЛЬВАН. МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
ЩЁТОЧНЫЕ МАШИНЫ, ВАЛЫ И ЩЁТКИ
ЭЛЕКТРОКОНТРОЛЬ ПП И СЛОЁВ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПП
ХИМИКАТЫ И КОНЦЕНТРАТЫ
СВЁРЛА, ФРЕЗЫ, ЦАНГИ,
ЗАТОЧНЫЕ СТАНКИ
ПУСКО-НАЛАДКА, РЕМОНТ, ЗАПЧАСТИ,
СЕРВИС ОБОРУДОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОКОНТРОЛЬ ПП ЗАКАЗЧИКОВ
ДОСТУПНЫЕ И ГИБКИЕ ЦЕНЫ
СИСТЕМА СКИДОК
КРЕДИТЫ, ЛИЗИНГ, ПОЭТАПНАЯ ОПЛАТА
ООО “РТС ИНЖИНИРИНГ”
Web site: http //wwwrts-engineenng.ru
Теп (095)964-4748.964-9670
Факс . (095) 964-4739
E-mail main@rts-engineering ru
е кто о н и ки
А. МЕДВЕДЕВ
Технология
производства
печатных плат
ТЕХНОСФЕРА
Москва
2005
А. Медведев
Технология производства печатных плат
Москва:
Техносфера, 2005. — 360с. ISBN 5-94836-052-0
Вторая книга серии, начатой ранее изданным руководством А. М. Мед-
ведева «Печатные платы. Конструкции и материалы». Монография содер-
жит детальное изложение механических и электрохимических процессов
производства печатных плат, включая бесстружечную обработку, лазерное
сверление, очистку отверстий поверхностей, химическую и прямую ме-
таллизацию, финишные и контактные покрытия, а также вопросов тес-
тирования и технологического обеспечения надежности межсоединений.
Книга предназначена для профессиональных технологов, инженеров-
разработчиков и практиков.
© 2005. А. М. Медведев
© 2005, ЗАО «РИЦ «Техносфера»
оригинал-макет, оформление.
ISBN 5-94836-052-0
КОНТРАКТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО - ЭТО ВЫБОР ТЕХ,
КТО СТРЕМИТСЯ К КАЧЕСТВУ И ЦЕНИТ СВОЕ ВРЕМЯ И ДЕНЬГИ!
РЕЗОНИТ
124460 Москва, Зеленоград, а -я 31
16л., факс (095)777-80-80.730-50-00
Е-таЯ: pcMrezontt.ru
197342, г. Санкт-Петербург,
ул. Сердобольская, д.64, литер д офис 322
16л.: (812)608-80-80,115-68-18
Е-таМ: spMrezontt.ru
^CERT=^
ISO 9001 : 2000
Содержание
Предисловие автора.....................................18
Глава 1
Прессование МПП ..................................... 23
1.1. Свойства склеивающих листов....................24
1.1.1. Содержание связующего (наноса смолы) ......24
1.1.2. Растворимость полуотвержденной смолы.......25
1.1.3. Текучесть смолы............................26
1.1.4. Содержание летучих.........................28
1.1.5. Свойства склеивающих листов................28
1.1.6. Условия хранения склеивающих листов
(прокладочных стеклотканей) ......................29
1.2. Подготовка слоев к прессованию.................31
1.3. Комплектование пакетов для прессования МПП......34
1.4. Конструкции прессов и пресс-форм ..............34
1.5. Процессы прессования ..........................39
1.6. Причины дефектов при прессовании
и методы устранения ................................43
Глава 2
Сверление .............................................47
2.1. Механическое сверление.... ....................47
2.1.1. Выбор и оценка качества сверл[4] ..........47
2.1.2. Сверление [4] .............................54
2.1.3. Фрезерование [4]...........................55
2.1.4. Влияние конструкции сверла
на качество сверления. ........................ 58
2.1.5. Точность сверления.........................58
2.1.6. Переточка сверл. ..................... ..... .59
2.1.7. Режимы резания.............................60
2.1.8. Характерные дефекты сверления .. .63
2.2 Бесстружечная обработка.........................64
2.2.1. Раскрой материалов.........................64
О Образцовая модель
LPKF MicroLine 600
для сверления микроотверстий и
резки подложек печатных плат.
Лазерная система для самых высоких
требований:
- Рабочая область 640 х 560 х 50 мм
- Длина волны лазере 355 нм
- Производительность сверления до
250 отверстий/сек в материале RCC
Скорость структурирования до
300 мм/сек, в зависимости от
материала
- Точность позиционирования 15 pm
Минимальный диаметр отверстий
50 pm
- Ширина изоляционного канала >25 pm
О Спектр наших возможностей
LPKF Laser & Electronics AG специа-
лизируется на механических и лазе-
рных системах, предназначенных
для разработки и производства элек-
тронных модулей. Благодаря своим
новым технологиям и новшествам,
LPKF достигла в существенных обла-
стях производства лидирующие поз-
иции на мировом рынке.
LPKF предлагает:
- механические системы для быстрого
производства печатных плат
- лазерные системы для производства
печатных плат и электронного обору-
дования
системы и технологию для произво-
дства трафаретов
- производство трехмерных монтаж-
ных носителей
Серия машин LPKF MicroLine
для прецизионного произво-
дства печатных плат
Системы серии LPKF MicroLine предназначены специально
для прецизионной обработки печатных плат. Главное их
назначение - это сверление микроотверстий в платах HDI.
Ультрефиолетовый лазер прорывает медное покрытие, а также
эпоксидную смолу и стекловолокно.
Кроме того эти лазерные системы служат в качестве
мультифункциональных инструментов. Особо выгодны они
производителю гибких и жестко-гибких печатных плат в связи с
высочайшей прецизионностью резки контуров. Поддаются резке
даже уже скомпанованные печатные платы.
Представительства в России и на Украине-
LPKF laser & Electronics AG Osteriede 7 0-30827 Gartsen Germany Ten. <49(0)5131-7095-0 Факс «49(C) 5131-7095-90 lfKt@lpkl.de wwwlpklru
Alllmpex Россия. 101990 Москва ул. Мясницкая 35, кон 435 Тел <7095 433-2097 Факс -7095-933-209? adz-s«isor@narod г и
SE Special Electronic 119571. Москва пр г Вернадского, д 127 Тел. •7095 4 332582 Факс-7095 4 34 9496 к1о@я>еса1 то
SE Special Electronic 19И04. Санкт-Петербург ул Рылеева, д. 1/9. офис 31 Тел <7812-275-3860 Факс ♦7812-273-4908 ?oot@sespdsu
VDMAlS ОЮЗЗ. Киев Володимирсхая ул . Ю1 Жнпянекая ул. 29 П.Я 942 Тел. *38044 22713-56 Факс *380 44 227-36 68
lukoshm@vdmais kiev ла
www.lpkf.ru
Laser & Electronics
2.2.2. Штамповка............................... 65
2.2.3. Испытания материалов на штампуемость......65
2.3. Сверлильные станки .......................... 66
2.4. Химическое сверление .... .............67
2.5. Лазерное сверление ...........................67
2.5.1. Особенности лазерного излучения: .........68
2.5.2. Воздействие мощного лазерного излучения
на вещество..................................... 70
2.5.3. Воздействие лазерного излучения
на материалы печатных плат........................72
2.5.4. Физические процессы
при лазерном сверлении ..........................74
2.5.5. Современное состояние лазерного сверления
печатных плат. ..................................76
2.6. Очистка отверстий.............................77
2.6.1. Химический способ ........................78
2.6.2. Перманганатная очистка.................. .79
2.6.3. Гидроабразивная очистка...................80
2.6.4. Плазмохимическая очистка ............... .81
2.6.5. Двойное сверление.........................81
2.6.6. Контроль качества очистки . .......... .82
Глава 3
Химические и электрохимические процессы................83
3.1. Общие понятия............................. .83
3.2. Понятия о процессах металлизации
в технологиях печатных плат.........................85
3.3. Состояние поверхности промежуточных слоев ....86
3.4. Природа сенсибилизации и активирования.........87
3.4.1. Гетерогенные процессы
химической металлизации .........................87
3.4.2. Двухстадийный процесс активации...........89
3.4.3. Совмещенный раствор активации.............92
3.4.4. Механизм процессов активации
из совмещенных растворов.........................96
^>НТРАКТ<|)Л ЕКТРОН И KA
ХЗ ^/ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ АЛЬЯНС
ОТ ИДЕИ
ДО СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
ДИЗАЙН, РЕДИЗАИН
КОМПЛЕКТАЦИЯ
ПРОИЗВОДСТВА
ИЗГОТОВЛЕНИЕ
ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
МОНТАЖНОЕ
ПРОИЗВОДСТВО
ИЗГОТОВЛЕНИЕ
КОРПУСОВ
ИСПЫТАНИЕ
И ТЕСТИРОВАНИЕ
УПАКОВКА,
ЛОГИСТИКА
V2,«w> 1.пммм»,ИМ
Тм (<Ма)7«1-77М «ОС (0Н)ГО-9М1 < «М WWoMfWn,
www contr.wtetect'-jmu .ni
3.4.5. Улавливание палладия.......................97
3.4.5.1. Извлечение палладия
из отработанных растворов. Вариант 1...........97
3.4.5.2. Извлечение палладия
из отработанных растворов. Вариант 2...........98
3.4.6. Автоактивация..............................98
3.4.7. Фотоактивирование..........................99
3.4.8. Сенсактиватор в лаке.......................99
3.5. Химическая металлизация........................100
3.5.1. Растворы химического меднения................101
3.5.2. Природа дефектов
при химической металлизации......................104
3.5.3. Корректирование растворов[9]..............106
3.5.4. Утилизация сегнетовой соли ...............107
3.5.5. Утилизация меди ..........................107
3.5.6. Практика химического меднения [9].........108
3.5.7. Другие способы металлизации................ПО
3.5.7.1. Меднение методом термолиза............НО
3.5.7.2. Химическое меднение
в гипофосфитных растворах.....................111
3.5.8. Химическая металлизация порошков..........111
3.5.9. Способы нанесения растворов
на подложки..................................... 112
3.5.10. Химическое никелирование.................113
3.6. Прямая металлизация [10].................... .115
3.6.1. История вопроса...........................115
3.6.2. Сравнение химической
и прямой металлизации............................116
3.6.3. Процессы очистки отверстий................118
3.6.4. Системы прямой металлизации ..............119
3.6.5. Палладиевые системы.......................120
3.6.5.1. Палладий-олово активатор
с гальванической затяжкой.....................120
3.6.5.2. Палладиевый/оловянный активатор
с блескообразователем..........................120
3.6.5.3. Оловянно-палладиевый активатор
с ванилином....................................121
3.6.5.4. Перевод палладия в сульфид............121
3.6.5.5. Варьирование палладиевых процессов....122
3.6.6. Системы на основе графита .................122
3.6.6.1. Углеродные суспензии..................122
3.6.6.2. Графит................................123
3.6.7. Системы проводящих полимеров............ .123
3.6.8. Другие способы.............................123
3.6.9. Технология прямой металлизации J-Kem.......124
3.6.9.1. Подготовка отверстий
под металлизацию...............................124
3.6.9.2. Прямая металлизация...................125
3.6.10. Общая оценка процессов прямой металлизации .127
3.7. Термические процессы металлизации ..............128
Комплексные решения
для производства
печатных плат
и
выполнения
гальванических покрытий
www.nmaee.ru
АШИ
NMA EASTERN EUROPE
3.7.1. Вакуумная металлизация.... ... .128
3.7 2. Диффузионная металлизация ................129
3 7 3 Металлизация плакированием...............130
3.7.4. Металлизация вжиганием.....................130
3.7.5. Процессы газотермического напыления........130
3.7.6. Плазмотроны................................131
3.8. Электрохимическая металлизация.................134
3.8.1. Законы электрохимической металлизации .....135
3.8.2. Гальваника в технологии печатных плат......137
3.8.3. Электролиты
в производстве печатных плат.....................140
3.8.3.1. Электролиты меднения..................140
3.8.3.2. Электролиты осаждения
сплава олово-свинец ...........................146
3.8.3.3. Электролит оловянирования.............156
3.8.4. Финишные покрытия..........................157
3.8.4.1. Горячее облуживание...................158
3.8.4.2. Покрытие ингибирующими
органическими покрытиями.......................159
3.8.4.3. Иммерсионное золочение................160
3.8.4.4. Иммерсионное оловянирование ..........163
3.8.4.5. Иммерсионное серебрение...............165
3.9. Контактные покрытия.............................165
3 .9.1. Контактирование в слаботочных цепях.......165
3 9.2. Свойства контактных покрытий . ..........166
3.9.2.1. Золото и его сплавы..................167
3.9.2.2. Палладий.............................168
3.9.2.3. Серебро и его сплавы.................168
3.9.2.4. Олово................................169
3.9.2.5. Другие контактные покрытия...........169
3.9.2.6. Подслои . . . 169
3.9.2.7. Электролиты для осаждения
контактных покрытий...........................170
3.10. Оборудование для металлизации печатных плат . . . .171
3.10.1. Интенсификация (агитация) процессов....171
3.10.2. Автооператоры .........................172
3.10.3. Электроды........................ .174
3.10.4. Конструкции ванн ......................176
3.10.5. Нагрев ванн......................... 177
3.10.6. Источники тока.........................178
Глава 4
Очистка поверхностей..... ...................181
4.1. Понятия об очистке поверхностей.................181
4.2. Происхождение и классификация загрязнений ....183
4.3. Моющие среды...................................185
4.3.1. Вода....... ..... . ..............185
4.3.2. Органические растворители ............... 186
4.3.2.1. Введение .............................186
4.3.2.2. Избирательность
растворяющей способности ......................186
127055
г. Москва
ул. Сущевская
дом 21
тел./факс: (095) 787-65-01
(095)787-85-02
(095) 787-65-03
www.pcbpro.ru
ppallpcb aovintelru
electro
4.3.2.3. Оптимальная скорость испарения . . .........186
4 3.2.4. Минимальная токсичность.... 187
4 3.2.5. Воспламеняемость и взрывоопасность ... 188
4.3.2.6. Основные типы растворителей.................188
4.3.2.7. Нефтяные или алифатические
углеводороды ...................................189
4.3.2.8. Ароматические углеводороды.............189
4.3.2.9. Скипидары .............................190
4.3.2.10. Спирты .............................. 191
4.3.2.11. Сложные эфиры (ацетаты) ..............192
4.3.2.12. Простые эфиры ........................193
4.3.2.13. Кетоны ...............................193
4.3.2.14. Хлорированные углеводороды ...........193
4.3.3. Растворители и загрязнения..................196
4.3.3.1. Смеси растворителей....................196
4.3.3.2. Пожаробезопасные смеси растворителей .... 197
4.3.3.3. Водные растворы
технических моющих средств......................198
4.4. Интенсификация процессов очистки.................199
4.5. Ультразвуковая очистка. Теория и практика........201
4.5.1. Введение ................................. 201
4.5.2. Что такое ультразвук?.......................202
4 5.2.1. Ультразвук (УЗ)........................202
4.5.2.2. Теория звуковых волн ..................203
4.5.3. Технологическое применение ультразвука......205
4.5.3.1. Принципы ультразвуковой очистки .......205
4.5.3.2. Механизмы очистки и отмывки............206
4.5.3.3. Комплексные загрязнения ...............207
4.5.3.4. Ультразвуковое оборудование............208
4 5.4 Системы УЗ-очистки .......................212
4.5.5. Обеспечение максимального эффекта очистки . .. .213
4.6. Технология ультразвуковой очистки................215
4.7. Контроль качества очистки........................217
Глава 5
Элементы электрических соединений ....................221
5.1. Структура межсоединений .................... .221
5.2. Сопротивления элементов межсоединений ........223
5.3. Диагностирование качества соединений..........228
5.3.1. Выбор режима контроля.....................228
5.3.2. Нсразрушающий контроль соединений.........230
5.4. Термомеханическая модель разрушения соединений . . . .232
5.4.1. Линейные модели
термомеханических i шпряжений....................233
5.4.2. Нелинейности характеристик
прочности материалов.............................236
5.4.3. Нелинейная модель
термомеханических деформаций ....................238
5.5. Качество металлизации.........................239
5.5.1. Металлизация..............................240
5.5.2. Химическая металлизация...................242
117342, г. Москва, ул. Бутлерова, 15
Тел.:+7 (095) 334-9461 Факс:+7 (095) 334-9611 E-mail: pcb@pcb.ru www.pcb.ru
5.5.3. Дефекты гальванопокрытий ............245
5.5.4. Химические методы контроля
толшины покрытий................................245
5.5.5. Физические методы контроля толшины
и плотности покрытий............................249
5.5.6. Сопротивление металлизированных отверстий .256
5.5.7. Реологические свойства
медного гальванопокрытия........................262
5.5.8. Металлографический анализ
элементов межсоединений.........................266
5.5.9. Контроль качества
контактных гальванопокрытий.....................270
5.6. Контроль параметров линий связи...............274
Глава 6
Электрическая
изоляция цепей печатных плат
6.1. Природа электропроводности
композиционных диэлектриков
277
277
6.1.1. Зависимость сопротивления
от температуры.................................277
6.1.2. Сопротивление
композиционных диэлектриков....................278
6.1.3. Сопротивление и природа диэлектриков ...279
6.1.4. Сопротивление и влага ..................280
6.2. Сопротивления электрической изоляции
печатных плат.....................................280
6.2.1. Критерии работоспособности
и качества изоляции................................280
6.2.2. Расчет сопротивления изоляции
печатных плат....................................281
6.2.3. Сопротивление изоляции МПП................283
6.3. Общая модель отказов изоляции
слаботочной аппаратуры ............................284
6.3.1. Электрохимическая форма отказов ..........284
6.3.2. Схема электрохимического процесса
отказа изоляции
6.3.3. Имитация электрохимического процесса отказа
6.4. Частная модель отказов изоляции МПП.......
6.4.1. Дефекты
285
.287
.287
электроизоляционной конструкции МПП .........287
6.4.2. Микрополости — основной источник отказов
изоляции МПП......................................289
6.4.3. Ускоренные испытания изоляции ...........290
6.5. Электрическая прочность изоляции................292
6.5.1. Дефекты изоляции........................ . . .292
6.5.2. Формы электрического пробоя изоляции. .....292
6.5.3. Тепловая форма пробоя изоляции МПП.........294
6.5.4. Вольт-секундная характеристика электрической
прочности дефектной изоляции МПП. . .....296
6.6. Влияние климатических факторов
на уровень изоляции ................................298
ТелеРем
www.telerem.ru smd@telerem.
(095)739-07-27; (095)536-87-37
КОНТРАКТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОНИКИ
РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Л
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТРАФАРЕТОВ
DIP МОНТАЖ
SMD МОНТАЖ
ПРОВЕРКА X
НАСТРОЙКА
6.6.1. Сопротивление изоляции при нагреве.......298
6.6.2. Сопротивление изоляции при увлажнении....299
6.6.3. Цикличность увлажнения...................302
6.7. Зашита поверхности печатных плат .............302
6.7.1. Механизмы влагозащиты ...................302
6.7.2. Зашита электроизоляционными лаками.......303
6.7.3. Осмотические явления ....................303
6.7.4. Общие требования к лаковой защите........305
6.7.5. Долговременность лаковой зашиты..........306
6.8. Измерения электроизоляционных характеристик....308
Глава 7
Электрическое тестирование печатных плат
.................311
7.1. Критерии качества печатных плат
для электрического тестирования.....................311
7.1.1. Критерии качества соединений..............313
7.1.2. Критерии качества изоляции................315
7.1.3. Критерии автоматического контроля
электрических параметров печатных плат. ....316
7.2. Электрическое тестирование.....................317
7.2.1. Принципы контактирования
с тестируемыми платами......................317
7.2.2. Матричные тестеры ........................319
7.2.2.1. Матричная система контактирования....319
7.2.2.2. Контактное поле матричных тестеров
(«ложе гвоздей»).......................321
7.2.2.3. Коммутаторы .........................323
7.2.2.4. Средства измерения...................324
7.2.3. Последовательная система контактирования..326
7.2.4. «Летающие матрицы»........................328
7.2.5. Контактирующие зонды .....................329
7.2.6. Базирование тестируемых заготовок ........331
7.2.7. Программное обеспечение ..................332
7.2.7.1. Исходные данные......................332
7.2.7.2. Использование эталонной платы........332
7.2.7.3. Использование Gerber данных
333
7.2.7.4. Использование CAD-CAM данных 333
7.2.8. Сопоставление средств
электрического тестирования
...................334
Глава 8
Контроль по признакам внешнего вида................ .337
8.1. Критерии контроля по признакам внешнего вида...337
8.1.1. Фотошаблоны..............................337
8.1.2. Трафаретная печать ......................338
8.1.3. Фотолитография ........................ 340
8.1.4. Травление рисунка........................341
8.2. Оптическое тестирование .................... 345
8.2.1. Оптическая микроскопия ..................345
8.2.1.1. Источник света и конденсор..........346
8.2.1.2. Предметный столик...................347
8.2.1.3. Выбор объектива ....................347
ЭЛЕКТРОКОННЕКТ (головной офис)
г Новосибирск, 630117 ул Арбузова 1/1
телефакс (383-3) 36-10-01 36-10-03
e-mad orderOpselectro ru web htlp7/www pseiectro ru
г Санкт-Петербург Санкт-Петербургским филиал
ООО “Электроконне кт ул 6-я Советская 24 оф 210
тел/факс (в12) 274-97 91 271 56-87
e-mail иейкЭДдее*** ru
г. Москва, ООО “Печатные Платы” г Екатеринбург, ООО “КТЦ КЭБ
ул Сущевская 21 тел/факс (095) 767-6501, 767-6502 787-6503 ул Белинского 140/2 твл/факс (343) 251 29-69 260-36-71
e-mail ppailpct>@sovintel ru e-mail cbh@ceb e-burg ru
8.2.1.4. Формирование и регистрация изображения .. .348
8.2.1.5. Монокулярное и бинокулярное наблюдение .349
8 3. Распознавание объектов изображения...........350
8.3.1. Компьютерная обработка изображений .350
8.3.2. Принципы работы AOI .....................350
8.3.3. Контроль печатных плат с помощью AOI ....352
8.4. Сопоставление методов тестирования... ... .353
8.4.1. Оптический метод... .354
8.4.2. Электрический метод......................354
8.4.2.1. Матричное тестирование («ложе гвоздей») . .354
8.4.2.2. «Летающие щупы».....................354
8.4.2.3. Сопоставительные характеристики
методов тестирования ........................355
8 5. Примеры распознавания дефектов
оптическим тестером ...........................355
Литература ..........................................357
ПРЕДИСЛОВИЕ
АВТОРА
Вы держите в руках продолжение книги ’«Печатные платы. Конст-
рукции и материалы». Начав ее, автор не сумел выдержать сроки из-
дания всей книги, поэтому она была издана первой частью. Теперь
автор дописал вторую часть, посвященную процессам производства
и технологическому обеспечению надежности печатных плат.
Должен сказать, что эта часть, содержащая описания химичес-
ких процессов, далась автору особенно трудно. Потому что, в отли-
чие от советского времени, информация о технологиях является
фирменным секретом («know-how») и добывать эту информацию,
как инструкцию к действию, становится все трудней и трудней.
Во всех известных зарубежных справочниках вы не найдете ничего
о составах технологических растворов или фирменных добавок,
о конкретном содержании композиционных материалов и т.д. Ры-
нок предлагает зашифрованные продукты типа «АВС». И весь мир,
не задумываясь, пользуется этими продуктами, выбирая лишь фир-
му-поставщика. На международных конференциях специалисты от
производителей обмениваются информацией только о том, какая
фирма — поставщик продуктов химии лучше другой, не входя в по-
дробности составов предлагаемых концентратов. Конечно, это
удобно в производстве. Технологу приходится лишь строго соблю-
дать фирменный регламент «АВС», а вся ответственность за резуль-
тат ложится на фирму — поставщика концентратов.
Отечественные технологи не привыкли работать «втемную».
Они не хотят и не могут чувствовать себя «пешками» в технологиче-
ских процессах. Тем более что спрос за качество ложится именно на
них. Что в этой ситуации плохо и что хорошо?
Использование фирменных концентратов это уже прочно сло-
жившаяся общемировая практика в высокотехнологических произ-
водствах, и никуда от этого не денешься. Нужно с этим смириться,
потому что это хорошо. Плохо то, что у нас не происходит импорто-
замещения. Например, у нас покупают палладий, а потом он к нам
возвращается в виде концентратов для процессов прямой металли-
зации. Отечественная химическая наука имеет огромный потенци-
ал, чтобы создать и поставить на поток производство высококачест-
венных продуктов. Беда лишь в том, что в России не привыкли до-
стойно платить за НИОКР. Поэтому нашим ученым легче работать
по заказам зарубежных работодателей, чем найти отечественного
заказчика на разработку химических продуктов и технологий.
Большая часть того, что автор нашел и поместил в эту книгу, это
рудиментарный отпрыск, который постепенно будет исчезать из
публикаций. Это дань технологам из того же поколения, что и ав-
тор. В дальнейшем главной задачей технологов станет технологиче-
ское управление производством, поддержание строгой технологи-
ческой дисциплины в соблюдении регламентов «АВС», основой ко-
торой станет электронный документооборот и диспетчеризация.
И этим будет обеспечиваться технологическая поддержка качества
продукции, за которую всегда был спрос с производственного тех-
нолога.
Автор просит у читателя снисхождения за неполное освещение
большинства вопросов технологий. У него было мало времени для
написания этой книги, и он в какой-то мере был ограничен объе-
мом. Эти недостатки книги во многом компенсируются публикаци-
ями в периодических изданиях: «Технологии в электронном произ-
водстве», «Производство электроники» и «Технологии приборост-
роения». специально созданных для технологов.
Автор обращает внимание читателей на необходимость созда-
ния отечественной ассоциации технологов и конструкторов печат-
ного монтажа, объединившей бы всех, кто занимается производст-
вом электронных изделий: проектировщиков и изготовителей пе-
чатных плат и электронных модулей. Главной задачей ассоциации
явилось бы информационное обслуживание ее членов (конферен-
ции, семинары, выставки) и создание отечественной нормативной
базы на основе международной стандартизации. Во всех странах —
США, Объединенной Европе, Японии, Китае, Тайваня, Корее, Ин-
дии — такие ассоциации являются форумами для общения специа-
листов, проводником решений национальных проблем развития
производства электроники. Заодно эти ассоциации представляют
национальные интересы производителей электронных изделий
в международных сообществах. Пора и нам объединиться в Россий-
скую ассоциацию производителей электроники, чтобы защищать
свои интересы в России и за рубежом.
Должен сказать, что эта книга не родилась бы, если бы автор не
ощущал постоянную поддержку со стороны высококлассного кол-
лектива технологов компании «Электрон-Сервис-Технология», ее
бывшего директора Локшина Юрия Абрамовича и нынешнего Се-
менова Петра Владимировича. Постоянное общение с ними, об-
суждение профессиональных вопросов технологической организа-
ции производства благотворно сказались на содержании книги.
Благоприятные условия работы, которые они создали автору,
во многом способствовали завершению этой книги.
Автор уже не молод. Но ему хочется успеть по мере его возмож-
ностей оставить молодому поколению накопленные отечественной
наукой и технологией знания производства электроники. Предсто-
ит объединенное издание двух частей книги о технологиях печат-
ных плат. Поэтому автор был бы горячо благодарен читателям за за-
мечания по содержанию и объему написанного. Особенно внима-
тельно автор отнесется к предложениям о сокращении объема
книги.
Свои замечания и предложения направляйте в издательство
«Техносфера».
А. М. Медведев
Fresco
конвейерное
ОБОРУДОВАНИЕ
Фирма, которая в 1956 году изобрела горизонтальное конвейерное
оборудование для обработки печатных плат!
Оборудование фирмы RESCO S.r.l. вот уже более 20 лет успешно
работает на Советском и Российском рынках. Прочная, надежная и
лёгкая в обслуживании конструкция, позволяет установкам работать
десятки лет без серьёзного ремонта. Оборудование характеризуется
наилучшим соотношением цены и качества. На любое своё
оборудование фирма RESCO S.r.l. даёт 5летнюю гарантию.
Фирма RESCO S.r.l. предлагает установки и конвейерные линии
для процессов травления печатных плат растворами хлористой меди
или аммиачными растворами. Оборудование позволяет получить
зазор и ширину проводника до 25л«слг. ПроизводитсяьностьотО, 12до
6 кв.м, в минуту позволяет удовлетворить потребности любого
производства. Различные по конструкции конвейерные системы
позволяют обрабатывать заготовки толщиной от 0,05 до 6 мм.
Автоматическая коррекция травильного раствора позволяет
сохранять постоянной скорость травления, а многоступенчатая
каскадная промывка заготовок позволяет экономить воду
Фирма RESCO S.r.l. предлагает широкий выбор машин щёточной
зачистки с ручным управлением, полуавтоматов и полностью
автоматических установок для подготовки поверхности заготовок
печатных плат и снятия заусенцев. Установки обеспечивают полное
удаление окисла с поверхности жестких и полужестких плат, удаление
заусенцев из рассверленных отверстий. После зачистки производится
очистка отверстий водой под давлением 90 атм., а также сушка
поверхности плат и отверстий. Быстрая и удобная регулировка щеток
в зависимости от толщины плат, а также быстрая и простая замена
щеток создают возможность использования одной и той же машины
для различных операций. Механизм осцилляции (горизонтального
покачивания) щеток не требует обслуживания и смазки в течение всей
жизни машины.
Официальный представитель фирмы RESCO S.r.l.
на рынке России и СНГ
ООО "Таберу", www.Tabe.RU,
Тел: (095) 995-3408, E-mail: info@tabe.ru
Tabe
ГЛАВА I
ПРЕССОВАНИЕ
МПП
Прессование слоев МПП в монолитную многослойную структуру —
процесс, во многом определяющий качество и надежность плат
и сказывающийся на выполнении последующих операций сверле-
ния. очистки отверстий от продуктов сверления, металлизации,
травления рисунка, монтажной пайки. Прессование — процесс мно-
гофакторный. Наиболее значимые из них:
• Состояние связующего в склеивающих прокладках (прокладочной
стеклоткани):
— растворимость,
— нанос,
— текучесть,
— содержание летучих;
• конструкции слоев:
— плотность рисунка схемы,
— наличие или отсутствие больших полигонов фольги,
— формат заготовки,
— толщина склеивающих прокладок;
• режимы прессования:
— время перехода к высокому давлению,
— время желеобразования,
— величина давления на стадии отверждения.
- время отверждения на последней стадии давления,
— температура прессования,
— наличие вакуумного отсоса летучих;
• качество поверхности слоев:
— шероховатость слоев,
— наличие дополнительной обработки (оксидация поверхности).
— чистота отмывки слоев от технологических загрязнений;
• технологическая оснастка:
— количество фиксирующих штырей или бандажных точек,
скрепляющих пакет слоев (заклепки, склейки, сварки),
— плоскопараллельность плит пресс-форм и прокладочных
стальных листов,
— суммарная толщина пакета между плитами пресса (количество
пакетов слоев МПП)
1.1. Свойства склеивающих листов
Склеивание слоев МПП прессованием производится за счет рас-
плавления и отверждения смолы прокладочных листов, находящей-
ся в полуотвержденном основании — в стадии В. Прокладочные ли-
сты имеют точно такую же структуру, что и основания слоев: ту же
основу связующего, тот же армирующий материал.
Чаше других в производстве МПП используются стеклоэпок-
сидные композиции. Реже, но все чаще используются другие смолы,
о которых подробно написано в главе третьей (части первой). Но все
они характеризуются состоянием полимеризации (растворимостью
и текучестью), временем отверждения, наносом связующего и нали-
чием летучих компонентов.
1.1.1. Содержание связующего
(наноса смолы)
Нанос смолы в склеивающих листах нужен не только для удовле-
творительного склеивания слоев с полным заполнением рельефа
проводников, но и для нормирования диэлектрической проницае-
мости межслойной изоляции. Для самого распространенного при-
мера использования материалов основания печатных плат — стек-
лоэпоксидных композиций нужно учитывать, что диэлектрическая
проницаемость смолы составляет 3,5 при плотности 1,2 г/см5 и ис-
пользуемое здесь электротехническое стекло алюмоборосиликат
ного состава соответственно 9,2 и 2,4. Так как в данном случае
стеклоэпоксидная композиция диэлектрического основания МПП
представляет собой беспорядочную смесь, расчет результирующей
диэлектрической проницаемости производится по закону смеше-
ния Лихтенеккера:
lg£c= Tjlgf] + T2lg£2,
Fas+welO-
где £С — диэлектрическая проницаемость смеси, и У2 — объемные
содержания компонентов в смеси; с । и г2 — диэлектрические прони-
цаемости компонентов.
В табл. 1.1 приведены значения диэлектрической проницаемос-
ти стеклоэпоксидных оснований, рассчитанных по формуле Лихте-
неккера.
Таблица 1.1. Диэлектрическая проницаемость стеклоэпоксидных ос-
нований
Содер- Содер- Диэлект- Содер- Содер- Диэлект-
жание жание рическая жание жание рическая
смолы (%) смолы(%) проницаемость смолы (%) смолы (%) проницаемость
по массе по объему смеси по массе по объему смеси
60 75 4,65 30 46,5 6,0
50 67 5,0 20 33,3 6,8
40 57 5,5 15 26 7,1
Содержание связующего - Н [%]определяют по разности массы
пропитанного смолой армирующего материала (стеклоткани)
(Л) и чистой стеклоткани (Q, освобожденной от смолы растворени-
ем или выжиганием при температуре 500...600°С в течение 30 мин
или до постоянства веса:
Н = 100.
А
Общепринятые нормы содержания связующего показаны в табл. 1.2.
1.1.2. Растворимость полуотвержденной смолы
В процессе изготовления композиционных материалов первона-
чально пропитывают армирующий материал раствором смолы
и затем его освобождают от растворителя до состояния отлила.
При этом одновременно с удалением растворителя смола перехо-
дит в полуотвержденное состояние, когда она должна плавиться
под действием температуры и давления, а она по большей части
сохраняет растворимость. В этом состоянии рулоны или стопы
листов склеивающих прокладок при хранении и транспортиров-
ке не склеиваются. Но в процессе хранения идет естественный
процесс полимеризации, и смола постепенно теряет раствори-
мость и текучесть. Поэтому склеивающие листы имеют ограни-
ченную жизнеспособность. Для увеличения срока хранения
склеивающие материалы хранят при пониженной температуре
(как правило, при 15°С). Тогда она сохраняет свою жизнеспособ-
ность до полугода.
Тем не менее, при каких бы условиях ни хранили склеивающие
листы, они меняют свои технологические свойства, что заставляет
корректировать режимы прессования. Ориентиром этому служат
растворимость и текучесть смолы склеивающих листов.
Растворимость связующего (смолы) определяется потерей мас-
сы образцов после их пребывания в определенном типе растворите-
ля (например, в ацетоне) в течение определенного времени.
Для этого взвешивают образцы склеивающих листов до погружения
в раствор и после пребывания в активном растворе в течение 10 мин
и подсушивания в термошкафу при температуре 6О...8О°С в течение
10...15 мин.
Р = —- 100,
А—С
где Р — растворимая часть связующего вещества, %; А — масса образ-
ца пропитанной стеклоткани, г; В — масса образца пропитанной
стеклоткани после выдержки в растворе и подсушки, г; С — масса об-
разца чистой стеклоткани, г.
Растворимость связующего в стадии В может находиться в пре-
делах 85... 100% в зависимости от срока хранения и нормы текучести
смолы в состоянии поставки.
1.1.3. Текучесть смолы
Нужно принимать во внимание, что прессование листовых компо-
зиционных материалов и МПП производится в открытых пресс-
формах, т.е. в пресс-формах без боковых стенок. И нужно организо-
вать процесс прессования таким образом, чтобы не выдавить всю
смолу из склеивающих прокладок пакета МПП. Для этого нужно
ограничить текучесть смолы, но настолько, чтобы она успела до за-
твердевания смочить и заполнить рельеф проводников внутренних
слоев МПП.
Установленные однажды при поступлении свежей прокладоч-
ной стеклоткани режимы прессования требуют своевременной кор-
ректировки, вызванной постоянным изменением технологических
свойств смолы из-за постепенной полимеризации. Поэтому склеи-
вающие листы периодически контролируют по текучести и времени
желатинизации смолы и, ориентируясь на их изменения, изменяют
режимы прессования. Чтобы не останавливать процесс прессова-
ния, на участке прессования используется лабораторный пресс,
на котором определяют эти параметры смолы и пробные запрессов-
ки по откорректированным режимам.
Определение текучести смолы в пропитанной стеклоткани —
процесс, требующий строгой регламентации. Иначе можно полу-
чить неопределенные результаты, которые не с чем будет сопостав-
лять. Текучесть определяют следующим образом. Вырезают квадрат-
ные образцы со стороной примерно 100 мм, так, чтобы одна диаго-
наль квадрата была параллельна основе стеклоткани, другая — утку.
Образцы очищаются от мусора и выступающих волокон, выравнива-
ются, скрепляются вместе и взвешиваются. Масса навески должна
быть в пределах 20 + 3 г.
После взвешивания пакет укладывается между стальными
прокладочными листами толщиной 1,6...2,0 мм с форматом
125±1 х 125±1 мм. Снизу и сверху навески (для предотвращения
от прилипания к прокладочным листам) накладывается триаце-
татная пленка. Собранный пакет укладывают между предвари-
тельно нагретыми до температуры 160±5°С плитами пресса и в те-
чение 5 с постепенно увеличивают давление до (150± 15) • 104 Н/м2
(15± 1,5 кгс/см2). При этом давлении и температуре образец вы-
держивают в прессе в течение 20 мин. Затем пресс открывают,
вынимают образец и остужают его на воздухе до комнатной тем-
пературы. Из середины полученного образца вырубается квад-
ратный образец площадью 50 см2 (это квадрат со сторонами
70,7±0,7 мм) или круг площадью 50 см2 (диаметр 79,8±0,3 мм)
и взвешивается.
Текучесть определяется из соотношения:
т^Мх-2М2
100,
где Т — текучесть смолы, %; Л/] — первоначальная масса образца, г;
М2 — масса вырезки (после прессования), г.
1.1.4. Содержание летучих
Пропитанная смолой стеклоткань, доведенная до стадии В, все еще
содержит легкие компоненты: остатки растворителя и низкомолеку-
лярные непрореагировавшие продукты полимеризации. Если их
много, они создают проблемы в обеспечении монолитности запрес-
совки: газовые включения, растворенные в объеме платы, при на-
греве в процессе монтажа освобождаются с резким расширением
объема, что приводит к расслоению плат.
Содержание летучих определяется по разнице массы образца до
и после сушки в течение 10± 1 мин при температуре 160±2°С. Как
правило, содержание летучих не должно превышать 2%, в лучшем
случае 0,3.„О,5%.
1.1.5. Свойства склеивающих листов
Для однородности свойств и предотвращения коробления МПП
склеивающая стеклоткань и диэлектрические основания фольгиро-
ванных материалов слоев изготавливаются из одной партии смолы
и поставляются вместе в определенном соотношении.
Толщина МПП закладывается выбором толщины оснований
слоев и склеивающих листов. Очевидно, что диэлектрическое ос-
нование слоев МПП не изменяет своей толщины в процессе прес-
сования, так как их связующее полностью полимеризовано.
В свою очередь, толщина склеивающей стеклоткани будет соот-
ветствовать проектным нормам только в том случае, когда прес-
сование будет проходить по установленным режимам. Часто по-
ставщики склеивающих материалов предписывают свои режимы
прессования.
В качестве примера в табл. 1.2 показаны характеристики склеи-
вающих стеклотканей (пре-прегов).
_____л_____* www.fastwel.ru
rCSTWGI тел.: (095) 234-06-39
Таблица 1.2. Характеристики склеивающих стеклотканей для
МПП
Обозна- чение пре-прега Номиналь- Содер- жание смолы, % Текучесть смолы, %* Время желати- низации, с**
Толщина стекло- ткани до про- питки, мкм ная тол-
щина про- питанной стекло- ткани, мкм Толщина прокладки в составе МПП, мм
104 25±5 38 25 .38 75±5 35±5 95±10
108 50±5 88 69 .76 60±5 30±5 95±10
112 76±7 100 88...100 54±5 26±5 95±10
113 76±7 115 101...114 53±5 25±5 95±10
116 100±10 150 127 .139 50±5 25±5 95±10
128 170±17 200 160. .190 42±2 20±2 95±10
* При температуре прессования 170±2°С и давлении второй ступени 35 кгс/см2,
выдержка под давлением 25 мин.
** При температуре 170±2°С.
1.1.6. Условия хранения склеивающих листов
(прокладочных стеклотканей)
Большое внимание должно уделяться условиям хранения про-
кладочной стеклоткани. Повсеместно принято хранящиеся в ох-
лаждаемом состоянии склеивающие слои выдерживать перед
прессованием в течение нескольких часов на воздухе при ком-
натной температуре при относительной влажности воздуха не
более 50%, чтобы увлажненная конденсатом воды стеклоткань
успела на воздухе высохнуть до равновесного с атмосферной вла-
гой состояния. Однако этим не достигается полное удаление вла-
ги, если атмосфера участка хранения материала и участка прес-
сования не управляема по температуре и влажности. Остатки
влаги внутри склеивающих прокладок являются причиной отно-
сительно частых расслоений МПП между поверхностями медных
проводников и межслойных прокладок. Кроме того, влага, сор-
бированная прокладками и слоями, вскипает при температуре
прессования и выталкивает размягченную смолу в облой. Поэто-
му при увеличенном содержании влаги в пакете слоев МПП ко-
личество облоя возрастает, а внешний вид его говорит о повы-
шенной пористости. Эти два признака: степень вытечки смолы
(размер облоя) и плотность облоя — позволяют количественно
определить степень увлажнения материала МПП до прессова-
ния. При малом содержании влаги облой прозрачен и вытечка
смолы небольшая.
Для сушки прокладочной стеклоткани нельзя применять
традиционный метод нагрева, при повышенной температуре она
начнет ускоренно отверждаться (полимеризоваться). Можно ис-
пользовать лишь способы сублимации: выдержка в сухих каме-
рах и вакуумирование. Обезвоживание атмосферы камер произ-
водят любыми приемлемыми способами: веществами, активно
поглощающими влагу (окись алюминия, силикагель и другие ад-
сорбенты, безводные соли, например хлористый кальций, ме-
таллический натрий, кальций, окись кальция, фосфорный анги-
дрид и др.), вымораживанием влаги воздуха, заменой воздушной
среды какой-либо другой — контролируемой. Установлено, что
наиболее эффективна дегидратация в атмосфере сухого азота
и вакуумной сушкой. Так, вакуумная сушка в течение 24 ч меня-
ет плотность облоя от 0,75 до 1,4 г/см3, вытечку смолы — с 28 до
22 %, стойкость к термоудару улучшается в 4 раза. Выдержка
в атмосфере сухого азота улучшает характеристики процесса
в течение семи суток, затем после 28 суток наблюдается сниже-
ние текучести.
В производстве для сушки слоев и листов используется атмосфе-
ра сухого азота, когда заготовки для прессования МПП можно вы-
нимать из камеры непосредственно перед прессованием. Удобно
также использовать сухие камеры с поддерживаемой влажностью
5... 15%. Минимальное время выдержки в камере с сухой атмосферой
48 ч, максимальное — 1 месяц. За 48 ч происходит наиболее полное
удаление влаги.
Необходимо иметь в виду, что ресорбция влаги прокладочной
стеклотканью и внутренними слоями МПП происходит очень бы-
стро. В табл. 1.3 показан один из примеров накопления влаги в вы-
сушенных пакетах слоев МПП в атмосфере воздуха с температу-
рой 24°С и влажностью 80% на стойкость к термоудару при темпе-
ратуре 260°С.
Таблица 1.3
Длительность пребывания в неуправляемой атмосфере Вытечка смолы, % Плотность облоя, г/см3 Стойкость к термоудару, мин
0 25 1,33 5,6
5 мин 27 1,31 4,8
15 мин 27 1,20 3,8
1 ч 29 0,86 2,9
24 ч 31 0,75 0,5
Абсолютного перехода смолы в твердое состояние в прессован-
ных материалах не происходит. Даже после длительной термообра-
ботки в течение 10 ч в материале остается 2...4% растворимой смолы,
которая не должна влиять на электрические и физико-механические
свойства платы. Поэтому тщетны попытки довести до конца про-
цесс отверждения увеличением выдержки под давлением. Мало то-
го, при длительном воздействии высокой температуры наблюдается
деструкция эпоксидной смолы с выделением водорода. Выделяю-
щийся водород, в свою очередь, разрушает оксидные покрытия мед-
ной фольги, восстанавливая их. Разрушение оксидного слоя сопро-
вождается потерей печатными проводниками свойственного им
черного цвета и расслоениями объема МПП.
1.2. Подготовка слоев к прессованию
Очевидно, что чистота и развитость медных поверхностей рисунка
слоев МПП — залог успеха операции прессования. Существуют два
непохожих друг на друга процесса подготовки поверхностей под
прессование:
1) разрядка больших массивов фольги сеткой проводников и ми-
кротравление медных проводников для создания микрошеро-
ховатости и активации поверхностей;
2) оксидация медных поверхностей. Считается, что в этом
случае массивы медной фольги можно оставлять без раз-
рядки.
Если слои долго находились в неуправляемой атмосфере, их
нужно обезжирить в растворе следующего состава, г/л:
Тринатрийфосфат 30...35
Кальцинированная сода 30...35
Препарат ОС-20 (ПАВ) 3...5
Температура раствора 45...55°С, время обработки - 3...5 мин.
Процесс очистки усиливается за счет использования ультразву-
ка. Он ускоряет растворение загрязнений и жировых пленок.
Подтравливание или травление при подготовке слоев приме-
няется в том случае, если для последующих процессов осаждения
или контактирования необходима чистая металлическая поверх-
ность. При этом удаляются плотно сидящие слои окислов, суль-
фитов, фосфитов, карбонатов, гидроокисей и других соедине-
ний. Для этого обрабатываемые детали погружают кратковре-
менно в разбавленные кислоты или щелочи. Наряду с очисткой
подтравливание часто обеспечивает создание микрошероховато-
сти поверхности, благодаря чему существенно повышается адге-
зия диэлектрических слоев. Микротравление медных поверхнос-
тей, их активацию удобно производить в любом разбавленном
травящем растворе при комнатной температуре в течение при-
мерно 1 мин.
Очень тонкие слои (потускнение) окислов, сульфитов или гид-
роокисей, образующиеся почти на всех металлах при их соприкос-
новении с воздухом или водой, удаляются декапированием. Для это-
го погружают металлические поверхности на несколько секунд
в разбавленные 2—3%-ные кислоты. В отличие от подтравливания
декапирование проводят непосредственно перед последующей тех-
нологической операцией, так как при промежуточном хранении
происходит вновь потускнение.
После каждой обработки в кислотах или щелочах, тщательной
промывки водой необходимо проводить нейтрализацию, так как
промывка не обеспечивает удаления обрабатывающих растворов,
например, из отверстий. Нейтрализация осуществляется кратковре-
менной обработкой в 0,5—1%-ном растворе серной, янтарной, вин-
ной кислот или в 1 —2%-ном растворе соды, едкого натра или едкого
кали или же в другом щелочном растворе. После нейтрализации
вновь необходима интенсивная промывка.
Промывка не является химическим процессом очистки. Ее зада-
чей является удаление продуктов реакций, образующихся при хими-
ческой или механической очистке, или материалов, присущих тех-
нологическим операциям. Вода для промывки не должна содержать
примесей, которые могли бы осаждаться на поверхности, так как
в противном случае ухудшается качество поверхности для последую-
щих операций. Необходимо обращать внимание на органические
(альгины) и неорганические (нитраты, фосфаты, карбонаты) загряз-
нения.
Качество воды для промывки должно постоянно контролиро-
ваться, при очень высоких требованиях применяют деионизован-
ную воду. Иногда в воду для промывки добавляют вещества, улучша-
ющие смачиваемость (смачиватели) или препятствующие протека-
нию нежелательных реакций (ингибиторы). Барботирование
воздухом существенно повышает интенсивность промывки. На по-
следующем процессе сушки благоприятно сказывается окончатель-
ная промывка в горячей воде.
Адгезионные свойства медных поверхностей значительно улуч-
шаются, если их оксидировать (окислять). Для этого используют
всевозможные окисляющие растворы, после чего получают черный,
красный или оранжевый оксид. Для черного оксидирования меди
можно использовать следующий раствор, г/л:
Каустическая сода 50...60
Персульфат калия 14... 16
Температура раствора — 6О...7О°С, время обработки — 3...5 мин.
В любом случае слои должны быть тщательно промыты сначала
в холодной проточной воде, затем дистиллированной. После водных
промывок заготовки слоев нужно тщательно просушить при темпе-
ратуре 9О...1ОО°С в течение 40...60 мин.
Для того чтобы убедиться в эффективности отмывки слоев, про-
изводят выборочную проверку чистоты отмывки по изменению про-
водимости деионизованной воды, в которую погружались тестируе-
мые образцы, либо по прямому измерению сопротивлению изоля-
ции соседних проводников в гидростате. Нормы требований
к чистоте отмывки устанавливаются производителем самостоятель-
но в зависимости от плотности рисунка проводников, температуры
производственных помещений, типа материала. Ориентировочные
значения сопротивлений изоляции в гидростате находятся в преде-
лах 300... 1000 МОм.
1.3. Комплектование пакетов
для прессования МПП
Слои МПП, переложенные склеивающими прокладками, три-
ацетатцеллюлозные пленки, кабельная бумага или картон, проклад-
ки из листового проката нержавеющей стали толщиной 1,0...1,5 мм
укладываются на нижней плите пресс-формы в следующей последо-
вательности (рис. 1.1):
• нижняя плита пресс-формы,
• триацетатная пленка,
• 12... 14 листов кабельной бумаги,
• триацетатная пленка,
• стальной лист,
• триацетатная пленка,
• слои фолы и слои МПП, переложенные склеивающими про-
кладками,
• триацетатная пленка,
• стальной лист,
• триацетатная пленка,
• 12... 14 листов кабельной бумаги,
Рис. 1.1. Последовательность укладки пакетов слоев МПП в пресс-
форму.
• триацетатная пленка,
• верхняя плита пресс-формы.
В одной пресс-форме можно устанавливать до шести пакетов
слоев МПП. Пакеты МПП необходимо проложить стальными лис-
тами. Замену кабельной бумаги или картона в пресс-форме реко-
мендуется производить после трех-четырех запрессовок. Триацетат-
ную пленку следует менять после каждой запрессовки, если она под-
верглась деформации.
Толщина склеивающих листов (прокладочной стеклоткани)
между соседними слоями должна быть не менее чем в два раза боль-
ше суммарной высоты рельефа проводников на соседних слоях и
чтобы количество прокладок должно быть не менее двух.
Сборка пакетов слоев должна производиться в очищенной от
пыли атмосфере. Если операция сборки не автоматизирована, опе-
ратор должен работать в перчатках и респираторе. Прокладочная
стеклоткань (склеивающие слои) должна быть заранее выгружена
из холодильника и выдержана в сухой атмосфере до постоянства
массы.
1.4. Конструкции прессов и пресс-форм
Для осуществления прессования пресс-формы устанавливаются
в просветы многоэтажного пресса с нагреваемыми и охлаждаемы-
ми плитами. Пресс должен обеспечивать давление до 50 кгс/см2
и температуру до 200°С. Точность поддержания этих параметров
должна составлять до 1%. Многоэтажный пресс позволяет за один
цикл одновременно прессовать несколько пресс-пакетов. Для того
чтобы обеспечить параллельность 25 мкм на участке 700x700 мм2
при усилиях до 200 т, прессы снабжены четырьмя направляющими
колонками.
Плиты пресса из соображения теплопроводности изготавлива-
ются из алюминиевого сплава и оборудованы встроенными система-
ми нагрева и охлаждения. При автоматическом процессе давление
и температура фаз нагрева, отверждения и охлаждения регулируют-
ся во времени, и после достижения комнатной температуры пресс
открывается для новой загрузки. Требования к процессам прессова-
ния сегодня определяются высокой плотностью межсоединений,
выполнением отверстий на внутренних слоях, необходимостью точ-
ного воспроизведения волнового сопротивления согласованных ли-
ний связи, более строгими требованиями к короблению (для поверх-
ностного монтажа). Все эти требования могут быть удовлетворены
только при условии использования систем вакуумного прессования
с минимальными градиентами температур при нагреве и охлажде-
нии, точности поддержания режимов давления и идеальной плоско-
стности плит. Расширяющиеся объемы использования полиимид-
ных материалов нуждаются в более высоких температурах отвержде-
ния — порядка 400°С. Современные гидравлические прессы для
прессования МПП отвечают всем этим требованиям: параллель-
ность плит сохраняется в пределах ±30 мкм, температурная точ-
ность — ±ГС, точность поддержания давления — ±1 бар. Для умень-
шения температурных градиентов во времени и пространстве ис-
пользуется, как правило, термомаслянный нагрев и охлаждение.
Для предотвращения термодеструкции и испарения низкомолеку-
лярных фракций масла для высоких температур прессования ис-
пользуется среда азота. Для эффективного выноса воздуха и летучих
фракций из прессуемого пакета слоев применяется вакуумирование
рабочей зоны пресса с остаточным давлением 5 мбар в течение все-
го времени прессования.
Для отработки режимов прессования, для прототипного произ-
водства и, что самое главное, для испытаний новых партий прокла-
дочной стеклоткани участки прессования снабжают лабораторными
прессами.
Чтобы сократить время использования горячих прессов и для
экономии энергии, участки прессования дополнительно оснащают
установками холодного прессования в соотношении горячий
пресс/холодный пресс 2/1. Тогда продолжительность цикла умень-
шается с 150 до 100 мин, нагрев горячих плит не отключается, за-
грузка пресс-форм производится в горячие прессы.
Вместе с прессами, как правило, предлагаются опции, использо-
вание которых улучшает условия и производительность труда, ус-
тойчивость процессов: загрузочно-разгрузочные тележки, стелла-
жи-накопители с подъемным устройством, станции сборки пакетов
и для технологии PIN-LAM — расштифтовщики с устройством раз-
борки пресс-форм. Стабильность свойств материалов импортных
поставок с рекомендованными режимами прессования позволяет
быстро найти в архиве соответствующие режимы применительно
к этим рекомендациям и быстро запустить процесс.
Обязательным приложением к поставкам прессового оборудова-
ния является система визуализации параметров управления на базе
персонального компьютера. Система обеспечивает выполнение трех
отдельных функций: загрузку режимов прессования из архива и за-
пись в архив новых отработанных режимов, а также диагностику
оборудования для устранения неисправностей.
Пресс-формы состоят из верхней и нижней плит, обеспечиваю-
щих очень высокую параллельность направляющих штырей и поли-
рованных прокладочных листов. При теплообмене между пресс-па-
кетом и плитами пресса и пресс-формы в месте их контакта с пресс-
пакетом создается значительный тепловой напор, приводящий
к неравномерному распределению тепла в пресс-пакете в начальной
стадии прессования. Этот недостаток частично может быть устра-
нен, если между плитами пресса и пресс-формы для уменьшения
теплового напора поместить листы нагревостойкой бумаги. Ее роль
может выполнять кабельная бумага. Теперь предлагаются специаль-
ные прокладочные листы, применение которых создает большие
удобства и улучшение качества запрессовок.
Нижнюю и верхнюю плиты пресс-формы изготавливают из ста-
ли и нормализуют, чтобы избежать коробления. Толщина плит —
15...20 мм. Плиты шлифуют с двух сторон так, чтобы отклонение от
параллельности плит пресс-формы не превышало 0,05 мм на длине
700 мм. В торцах плит выполняют отверстия для термопар.
Поток смолы, вытекающий в облой, увлекает за собой рельеф
печатного рисунка, деформируя ослабленное высокой температурой
основание слоя. Для удержания слоя в пресс-форме кроме фиксиру-
ющих штырей применяют технологические штыри в количестве, ус-
танавливаемом ГОСТ 23662 [1]. Поскольку температура прессова-
ния выше температуры стеклования полимеризованной смолы
фольгированных материалов, основа слоев размягчается и плохо
удерживается, даже если штырей много. Удержать слой помогает за-
мкнутый контур из невытравленной фольги, по полю которого рас-
полагаются фиксирующие отверстия. Фиксация пакетов в пресс-
Fas+wel??^
Рис. 1.2. Пресс-форма: 1 — верхняя плита, 2 — отверстие для термопары,
3 — нижняя плита, 4 — направляющая колонка, 5 — фиксирую-
щий штырь, 6 — отверстие для разъема.
Рис. 1.3. Зависимость смещения слоев от числа фиксирующих штырей
для размера заготовки 500x500 мм.
форме осуществляется по фиксирующим и технологическим отвер-
стиям (рис. 1.2). При сборке пакета по системе MASS-LAM рассто-
яние между точками скрепления слоев составляет 30...40 мм.
При использовании системы PIN-LAM количество фиксирующих
штырей (8... 12) ограничивается из-за затруднений разъема пресс-
формы после прессования. Поэтому расстояния между точками
фиксации превышают 100 мм. На рис. 1.3 можно видеть, что смеще-
ние слоев, зафиксированных 12 штырями, на размере заготовки
500x500 мм может достигать 300 мкм [2]. В системе MASS-LAM то-
же происходит смещение, но все слои, будучи хорошо скрепленны-
ми, смещаются одинаково. При вскрытии баз система линейного те-
стирования показывает это смещение, и оно используется для мас-
штабной корректировки позиционирования при последующем
сверлении Поэтому в системе MASS-LAM точность совмещения не
хуже 30 мкм
1.5. Процессы прессования
После установки пресс-формы в нагретый до рабочей температуры
пресс пресс-пакет разогревается в течение 10... 15 мин до темпера-
туры, необходимой для отверждения связующего (для эпоксидной
смолы около 170°С). При этом давление склеивания составляет
примерно 15 кгс/см2. Под действием тепла смола расплавляется,
заполняет полости и вытесняет воздух из зазоров между слоями.
Внешне это проявляется в виде облоя по краям заготовки. Эти по-
тери смолы составляют 5—30% количества смолы в склеивающих
прокладках. С ростом температуры и продолжительности воздей-
ствия начинается полимеризация смолы, смола переходит в состо-
яние геля. Это критический момент прессования, так как именно
теперь необходимо увеличить давление до 20...40 кгс/см2. Если
давление создать раньше до момента гелеобразования, то при при-
ложении давления выдавливается большое количество смолы. Ес-
ли давление отверждения прикладывается с запозданием, то запол-
няются не все пустоты, и монолитность МПП не обеспечивается.
Определение момента перехода от давления первой ступени к дав-
лению отверждения осуществляют эмпирическим путем. Напри-
мер, определяют момент прекращения образования нитей из смо-
лы, выступившей по краям платы. Или по наблюдением за облоем
фиксируют момент, когда он начинает пузыриться, и переходят на
вторую ступень давления.
В современных процессах прессования МПП используются ав-
томатические системы управления процессом по режимам, реко-
мендованным поставщиком материалов. Оператор имеет возмож-
ность выбрать эти режимы из компьютерной памяти пресса или ус-
тановить свои режимы и ввести их в память, чтобы использовать
в следующий раз. Типичная диаграмма изменения температуры
и давления показана на рис. 1.4.
В отечественной практике достаточно успешно используется уп-
равление процессом по изменению электрического сопротивления
смолы [3]. Для этого в пресс-пакет между слоями вводится емкост-
Рис. 1.4. Характер изменения температуры и давления при прессовании
МПП в автоматическом режиме.
ной датчик произвольной формы, позволяющий следить за состоя-
нием полимеризации связующего по изменению его объемного со-
противления. На рис. 1.4 показано изменение состояния смолы в хо-
де нагрева и остывания пресс-пакета:
• участок между точками 1 и 2 характеризует постепенное раз-
жижение связующего, о чем свидетельствует падение объемно-
го сопротивления датчика;
• точка 3 соответствует начальному моменту отверждения, т.е.
моменту, когда нужно повышать давление прессования;
• на участке 3—4 все еще присутствует низкомолекулярная фрак-
ция, создающая повышенную проводимость связующего;
• и наконец, на участке 4—5 наблюдается рост сопротивления
датчика, т.е. переход смолы в полностью отвержденное состо-
яние;
• рост сопротивления датчика на участке 5—6 обусловлен осты-
ванием пресс-пакета.
Для управления процессом прессования используют участок
2—3—4—5 (рис. 1.5). На рис. 1.6 показаны реперные точки, демонст-
рирующие оператору состояние процесса: точка А — момент полно-
го расплавления смолы, точки Си К — моменты приложения давле-
°C Т Ом R
180
170
100
10 12 18 30 40 мин
Рис. 1.5. Временная диаграмма температуры (а) и сопротивления дат-
чика — объемного сопротивления полимеризующейся смолы.
Рис. 1.6. Изменение сопротивления датчика в прессуемом пакете слоев
МПП.
ния первой и второй ступени, на участке В-0 идет деполимериза-
ция связующего, горизонтальность участка О—Р говорит о заверше-
нии процесса полимеризации. Максимальное давление создается за
1,5...2 мин до момента гелеобразования, которому на рис. 1.5 соот-
ветствует точка В. В этом процессе использовался следующий режим
прессования МПП: Т= 165±2°С; = 100 кПа; /1 = 10 мин (точка С);
= 200 кПа; Г2 = 6 мин (точка К).
Для ориентировочных расчетов времени полимеризации стекло-
пластиков можно пользоваться формулой t = tGD + 30, где t — общее
время выдержки при прессовании, мин; — время выдержки на 1 мм
толщины, мин/мм; D — толщина платы, мм.
С момента достижения в прессуемом пакете 15О...16О°С, т. е. по-
сле окончания процесса желатинизации, начинается процесс поли-
меризации (отверждения) смолы. С этого же момента ведется от-
счет времени для определения конца полимеризации. Во время по-
лимеризации для склеивания пакета слоев необходимо
поддерживать постоянное давление и температуру. Установлено,
что, начиная с 150... 160° С, необходимо выдерживать прессуемый
пакет в течение 5... 10 мин на 1 мм толщины пакета, но не менее
30...45 мин.
Изменение температурного режима прессования влечет за собой
ряд нежелательных последствий. Так, при увеличении температуры
сокращается период желатинизации связующего, что не всегда удоб-
но с технологической точки зрения, а при снижении температуры до
14О...145°С увеличивается время выдержки при полимеризации.
Проведение процесса при температуре ниже 135° С вообще не реко-
мендуется.
По истечении времени выдержки обогрев плит пресса прекра-
щается и в них подается холодный теплоагент. При охлаждении
нельзя снижать давление на плитах пресса, так как в противном
случае происходит вздутие материала и его коробление. Это объяс-
няется различием коэффициентов линейного расширения смолы,
стекла и меди. При быстром охлаждении смола отслаивается от
стеклянных волокон и гладкой стороны медной фольги, внутрен-
Рис. 1.7. Двухъярусный пресс.
ние напряжения при этом до-
стигают больших значений, что
вызывает коробление платы,
деформацию внутренних со-
единений и повреждение печат-
ных проводников. Поэтому вес-
ти охлаждение МПП рекомен-
дуется со скоростью не более
5 ..6 град/мин. Охлаждение считается законченным, когда темпе-
ратура прессуемого пакета достигает 25...30 С. На рис. 1.7 схема-
тично представлен простой гидравлический двухъярусный пресс
для прототипного производства.
Для отверждения смолы поддерживаются неизменными давле-
ние и температура в течение 0,5... 1 ч. Температура выше 175°С не-
допустима для эпоксидной смолы (на что указывает почернение
и охрупчивание смолы). Мало того, при воздействии высокой тем-
пературы эпоксидная смола разлагается с выделением водорода.
Водород восстанавливает оксид меди, и, если для улучшения адге-
зии использовалась оксидация поверхности, происходит расслое-
ние по меди. Реакция дегидрогенизации протекает по уравнению
СиО + Н2 * Си° + Н2О.
Время отверждения в горячих прессах может быть сокращено,
если пресс-пакет в пресс-форме охлаждается в холодных прессах
или в специальном приспособлении при небольшом давлении.
Спрессованные платы очищаются после удаления разделительно-
смазочных материалов (например, стеарата калия, разделительных
пленок), контролируются по толщине и плоскостности и поступают
для обрезки облоя и утолщений на краях заготовки. Качество склеива-
ния контролируется при испытании на устойчивость к термоударам.
1.6. Причины дефектов при прессовании
и методы устранения
Вероятная причина
Недостаточное количество
склеивающих прокладок
Недостаточная чистота
поверхности слоев
Предлагаемые меры устранения
Расслоение
Толщина склеивающих
прокладок стеклоткани должна
быть не менее чем вдвое
больше толщины меди
внутреннего слоя
Соблюдать электронно-
вакуумную гигиену,
исключающую наличие
на поверхности слоев и прокладок грязи, следов жира с рук и т. д. Работать в перчатках
Недостаточная текучесть смолы Использовать кондиционные склеивающие материалы
Вздутие
Полное давление приложено раньше начала желатинизации Увеличить выдержку на первой ступени давления
Остаток воздуха или влаги между слоями Недостаточное давление второй ступени
Неравномерное давление Увеличить число прокладочной бумаги, проверить режимы сушки слоев и прокладок
Туманные зоны, повторяющие рисунок переплетения стеклоткани
Туманные зоны повторяют медный рисунок внутреннего слоя, если плиты пресса раскрыты раньше, чем они успели остыть Перед снятием давления дать плитам охладиться
Недостаточная очистка медной поверхности Улучшить подготовку меди внутренних слоев химической или механической очисткой
Низкое содержание смолы Проверить содержание смолы в склеивающей стеклоткани
Коробление плат
Заготовки сняты с пресса до полного охлаждения плит Оставлять под давлением в прессе до тех пор, пока заготовку можно брать незащищенными руками без ожога
FastwelC???' www.fastwel.ru тел.: (095) 234-06-39
Неоднородность склеивающего материала по содержанию и текучести связующего Использовать склеивающий материал с однородными свойствами
Несбалансированная конструкция МПП Стремиться к созданию симме- тричной конструкции МПП
Несовмещение слоев после прессования
Непараллельность плит пресса
и пресс-формы
Избыточное давление
Сдвиг слоя в момент
перехода от нулевого
к полному давлению
Ненасыщенный рисунок
внутреннего слоя
Недостаточное число
фиксирующих штырей
Отсутствие медного обрамления
вокруг базовых и фиксирующих
отверстий
Проверить и выправить парал-
лельность плит пресса и пресс-
формы
Уменьшить давление прессова-
ния, однако это может вызвать
другие дефекты
Поднимать давление
медленно
Увеличить плотность рисунка
за счет других слоев
или увеличить ширину
проводников
Увеличить в пресс-форме число
фиксирующих штырей
Не допускать стравливания
медного обрамления
Неравномерная толщина
Некоторые платы толще других Используется склеивающая стеклоткань из разных партий
Распределение толщины в форме клина Проверить параллельность и равномерность прогрева плит пресса
Центр платы толще края Избыточная текучесть смолы
Дефекты сверления, вызванные некачественным прессованием
Зазубренные отверстия,
на стенках отверстий
стеклянный ворс
Замасливание торцов
контактных площадок
эпоксидной смолой
(контролируется при отсутствии
подтравливания диэлектрика
в отверстиях)
Недостаточное отверждение
смолы; проверить продолжи-
тельность прессования, темпе-
ратуру и давление. При необхо
димости удлинить вторую сту-
пень прессования на 30 мин
То же. Химически очистить
отверстия, следуя рекомендуе-
мым приемам
ГЛАВА 2
СВЕРЛЕНИЕ
При изготовлении печатных плат используются всевозможные ме-
тоды обработки для создания отверстий и внешнего контура. Речь
идет о пробивке, резке, сверлении, фрезеровании и способах очист-
ки отверстий.
2.1. Механическое сверление
Механическая обработка и особенно сверление составляют значи-
тельную долю проблем в обеспечении экономичности и серийноспо-
собности производства печатных плат и, что самое главное, в обеспе-
чении плотности межсоединений, их качества и надежности.
Наиболее сложный и трудоемкий процесс в механической обра-
ботке печатных плат — это формирование отверстий, подлежащих
металлизации. От сверления зависит качество металлизации, т. е.
надежность межслойных соединений. Востребованные в настоящее
время конструкции МПП содержат большое количество тонких от-
верстий с глубоким сверлением. Эти отверстия можно выполнять
сверлением, но ограниченная производительность механического
сверления заставляет переходить к лазерному сверлению.
2.1.1. Выбор и оценка качества сверл [4]
В настоящее время известно достаточно много фирм, производящих
инструмент для обработки печатных плат. Хорошо известны отече-
ственные предприятия, которые производили режущий инструмент:
Сестрорецкий, Вильнюсский, Минский заводы. Из импортных
фирм — НАМ, HAWERA, KEMMER PRAZISIONи др. В последнее вре-
мя требования к отверстиям возросли настолько, что возникла необ-
ходимость в переоценке качества сверл применительно к прецизи-
онному сверлению, получению глухих отверстий и микропереходов,
появилась необходимость в обработке новых радиотехнических ма-
териалов.
Чтобы выбирать инструмент и понять различия в их характерис-
тиках, разделим сверла на две группы - в зависимости от диаметра
и технологического предназначения. По величине рабочего диамет-
ра инструмент можно условно разделить на четыре подгруппы:
1) микросверла, диаметр которых лежит в диапазоне от 0,30 мм
и меньше;
2) минисверла диаметром от 0,25 до 0,45 мм;
3) сверла среднего диаметра от 0,45 до 3.00 мм;
4) сверла большого диаметра от 3,00 мм и выше.
По технологическому предназначению сверл инструмент можно
разделить на пять следующих подгрупп:
1) для прецизионного сверления;
2) сверла для создания микропереходов;
3) сверла для сложных МПП;
4) стандартные (обработка двухсторонних и многослойных пе-
чатных плат с малым числом слоев);
5) слотовые сверла.
В зависимости от того, в какую группу попадает инструмент, ме-
няется его геометрия заточки, подъем винтовой канавки, а также из-
меняется состав материала.
Нужно сразу отмежеваться от сверл из инструментальной стали
для сверления стеклопластиков: сверла из быстрорежущей стали Р18
изнашиваются уже через 50... 100 отверстий. Причина — высокая аб-
разивная способность стеклоткани. Поэтому сверла для печатных
плат изготавливают из твердосплавных материалов методами порош-
ковой металлургии: сначала спекают так называемую «куколку», за-
тем алмазным инструментом вытачивают сверла. Минимальный ди-
аметр сверл, который сегодня доступен в изготовлении, — 0,1 мм.
Сегодня определилась четкая специализация в выпуске исход-
ного материала для производства твердого сплава, включая спека-
ние исходных материалов в заготовки. Многие фирмы из желания
независимости открывают свое производство для получения «кукол-
ки» с дальнейшей обработкой ее до готового изделия. Мировыми
лидерами в производстве твердых сплавов являются Hartmetall,
Sandvik, Kennametal, Mitsubishi Carbide, Plansee Tizit и др.
Основным компонентом для производства сверл и фрез являет-
ся карбид вольфрама, в роли связующего вещества выступает ко-
бальт.и около 1% — это фирменные присадки, придающие инстру-
менту своеобразные фирменные свойства. В частности, в качестве
связки участвует около 8% кобальта и 1% фирменных добавок,
включая молибден. Добавление молибдена придает инструменту уп-
ругость, так необходимую при глубоком сверлении. Это свойство
также позволяет использовать сверла на оборудовании с низкими
техническими характеристиками (биение цанги, шпинделя, относи-
тельно длительное время переходных процессов позиционирования
стола). Такие присадки, как тантал и титан, позволяют материалу ра-
ботать в самых тяжелых условиях резания — постоянные и перемен-
ные ударные нагрузки, повышенная температура на трущихся по-
верхностях
В процессе обработки печатных плат из стеклотекстолитов ин-
струмент проходит сквозь разнородную среду: металл (медь), свя-
зующее (эпоксидная смола, полиимид, полиэфир и т.д.), наполни-
тель (стеклоткань, стеклошпон, полиэфир и т.д.). Самую большую
опасность представляет минеральный наполнитель — переплете-
ния стеклянных волокон и нитей. Совершенно разные нагрузки
испытывает сверло при обработке композиционных материалов
с 40% наполнителя и 60% связующего и наоборот. Очевидно, силы
резания и трения, возникающие при прохождении сверла сквозь
эти материалы, будут отличаться друг от друга. В связи с этим не-
обходимо учитывать, что стеклотекстолиты разнятся между собой
по конструкции в зависимости от толщины ламината. В толстых
материалах применяется более плотная фактура стеклоткани,
а в тонких основаниях ячейки стеклоткани имеют увеличенный
размер и более тонкую основу стекловолокон. На рис. 2.1 схема-
тично изображены разные типы стеклотканей в базовом материа-
ле. Известно, что плотность нитей, образующих основу и уток, со-
ставляет 100-140 единиц на участке 100 мм для FR-4 и 160—200
единиц для отечественных материалов. На рис. 2.1 хорошо замет-
на соизмеримость одного и того же диаметра сверла со стеклянной
сеткой для разной толщины базового материала.
Процесс изнашивания инструмента в момент работы происхо-
дит тем быстрее, чем больше абразивных частиц встречается на его
пути. Поэтому соразмерность стекловолокон и нитей из них с ди-
аметром сверла, а точнее, к его режущим кромкам определяет пе-
Рис. 2.1. Соразмерность диаметра сверла и плотности переплетения
стеклоткани: а — ткань типа 1080; б — ткань типа 1628; в —
ткань типа 2116.
риодичность смены инструмента в зависимости от толщины осно-
вы печатных плат. Поэтому оценку и сравнение инструмента по
износостойкости необходимо делать в пределах одной группы или
подгруппы материалов.
Результат операции сверления взаимосвязан с последующими
операциями, направленными на металлизацию отверстий. Напри-
мер, для эффективной очистки отверстий МПП в перманганатных
растворах необходимо предотвратить модификацию связующего,
чтобы минимизировать воздействие химических растворов на ди-
электрик. Модификация полимера происходит из-за нагрева режу-
щих кромок до температур 300...400°С. И хотя вход и выход сверла
при высокопроизводительном сверлении занимает всего 0,3 с, этого
времени оказывается достаточно, чтобы оставить свой отпечаток на
торцах контактных площадок внутренних слоев МПП и стенках от-
верстий: наволакивание связующего на торцы контактных площа-
док, подгар и остекленение поверхностного слоя связующего.
Известно, что теплостойкость стеклотекстолитов ограничивает
скорости резания при различных видах их механической обработки,
так как может развиваться температура, значительно превышающая
теплостойкость материала. Кроме того, низкая теплопроводность
ламинатов при воздействии температуры способствует длительной
локализации тепла в узкой зоне нагрева, что, в свою очередь, может
вызвать частичное испарение, обугливание и оплавление связующе-
го с низкой термостойкостью.
На рис. 2.2 показаны сверла,
у которых диаметры уменьшают-
ся при переходе от режушей час-
ти к хвостовику. Такие сверла хо-
рошо адаптированы к обработке
МПП, где наволакивание смолы
на торцы внутренних контакт-
ных площадок вызывает пробле-
мы очистки. Очевидно, чем
меньшее усилие встречают про-
дукты резания при удалении из
зоны резания, тем выше качест-
во обработки. Значит, не послед-
нюю роль в этом играет и шеро-
ховатость поверхности стружеч-
ного канала (Rz). Особенно это
становится актуальным при ра-
боте со сверлами из первых двух
подгрупп. Закупоривание стру-
жечного канала приводит к рез-
кому повышению сил скручива-
ния сверла, а это в свою очередь
ведет к частым поломкам инст-
румента. Для микросверления
изготовители стремятся создать
микрозернистый материал, тем
самым увеличив стойкость
и прочность режущего инстру-
мента. Лучшие образцы этих
подгрупп имеют зернистость по-
рядка 0,4 мкм и меньше. Умень-
шение величины зерна в матери-
але благоприятно сказывается на
а
Рис. 2.2. Отличительные признаки
сверл: 1 — предельно малая толщи-
на режущей грани — а; 2 — большое
стружкоотводное пространство; 3
и 4 — большая симметрия режущих
кромок; 5 — обратная конусность
рабочей части сверла — х; 6 — утол-
щающаяся к основанию сердцевина
сверл улучшенной конструкции —
у; 7 — цилиндрический участок ра-
бочей части сверла улучшенной
конструкции; а — обычное сверло; б
и в — сверла с увеличенной прочно-
стью стержня.
точности заправки, шероховатости инструмента и стойкости режу-
щих кромок. Сверла, геометрия которых изображена на рис. 2.2,
имеют один недостаток — это ограниченная длина боковой режущей
кромки. В силу этого такие сверла необходимо перетачивать с осо-
бой осторожностью, постепенно приближаясь к необходимому ре-
зультату [5].
Существуют три критерия для опенки процесса сверления:
производительность, стойкость сверл и качество отверстий. Пер-
вые два критерия относятся к экономическим, а последний крите-
рий характеризует качество готовых плат. Однако все три критерия
накладывают свои требования на процесс сверления. Рассмотрим
особенности конструкций сверл для сверления фольгированных
стеклопластиков:
• предельно малая толщина режущей грани уменьшает трение за
счет уменьшения площади контакта между сверлом и дном от-
верстия;
• тщательная обработка поверхностей направляющих ленточек
и главной задней поверхности (Rz 0,8 мкм) и спиральных ка-
навок (Rz < 1,6 мкм) гарантирует большую стойкость, лучший
отвод стружки и высокое качество отверстия;
• большое стружкоотводное пространство (к ~ 0,20) способст-
вует лучшему удалению стружки, благодаря этому степень на-
гревания значительно меньше, уменьшается нанос смолы на
стенки отверстия;
• четырехгранная заточка, обеспечивающая хороший режим ре-
зания, и призматическая вершина сверла обеспечивают хоро-
шую центровку, благоприятствуют удалению стружки, сверле-
нию без задиров;
• обратная конусность сверла (0,02 мм на 10 мм длины) умень-
шает трение и способствует уменьшению теплообразования.
Между тем обратная конусность должна быть настолько мала,
чтобы диаметр сверления даже после нескольких переточек
еще не выходил за пределы допуска;
• особые требования к концентричности между хвостовикам
и рабочей частью сверла (примерно 0,005 мм) направлены на
улучшение точности центровки в процессе сверления;
• важное значение имеет симметрия режущих кромок; осевое
биение режущих кромок, измеряемое у ленточек, не должно
превышать 0,01 мм.
Многие из приведенных параметров геометрии и поверхности
сверл можно получить только на специальном прецизионном станке,
снабженном набором алмазных кругов различной зернистости. Толь-
ко при этих условиях можно затачивать твердосплавные сверла, ко-
торые по качеству шлифованной поверхности не отличались от тре-
бований ГОСТ 22095 и технологической документации.
Стружкоотводное пространство можно увеличить только умень-
шением толщины сердцевины сверла. Это влечет за собой опасность
увода сверла. Компромиссное решение состоит в выполнении серд-
цевины в виде конуса с основанием у хвостовика (рис. 2.26).
Какой бы малой ни была обратная конусность сверла, переточ-
ка, так же как и износ, приводит к постепенному уменьшению его
диаметра. Чтобы замедлить этот
сверла на небольшой длине
можно сделать цилиндрическим
(рис. 2.26). Более подробно это
показано на рис. 2.3. Однако та-
кой конструкции сверла свойст-
вен повышенный нанос смолы,
поэтому для сверления МПП их
используют редко. В основном
они применяются там, где тре-
буется повышенная точность
диаметра отверстия, например
для сверления отверстий под за-
прессовку штырей в плату.
В других конструкциях сверл
используется увеличение стру-
жечного канала за счет уменьше-
ния площади поперечного сече-
ния сверла с одновременным уп-
рочнением материала. Тем самым
сохраняется возможность много-
кратной переточки инструмента.
При работе с таким инструмен-
том необходимо помнить об
ограничении подач, чтобы не
превысить предел прочности
уменьшенного сечения сверла.
процесс, начало
рабочей части
Режущая
Уменьшенный
Дополнительная
обработка при
вершине сверла
Рис. 2.3. Удлиненная (цилиндричес-
кая) режущая кромка сверла: а —
уменьшенный диаметр тела сверла;
б — дополнительная обработка при
вершине сверла.
Для сверл, диаметры которых меньше 0,4 мм, не всегда делают четы-
рехгранную заточку при вершине сверла. Хотя при таких размерах ин-
струмента пересечение в пространстве двух граней дает линию, прак-
тически соизмеримую с точкой, все же для повышения точности цен-
трирования сверла при вхождении в материал применяется
дополнительная заточка, как показано на рис. 2.35. Для создания мик-
ропереходов в материалах используют сверла с небольшой рабочей
длиной, за счет этого повышается жесткость инструмента и, как след-
ствие, точность обработки. В случае необходимости эти сверла хорошо
работают и при сквозном сверлении, необходимо лишь следить за мак-
симально допустимой глубиной погружения инструмента в диэлект-
рик. Эта величина должна быть всегда меньше длины рабочей части на
два диаметра сверла.
2.1.2. Сверление [4]
С увеличением класса точности печатной платы возникает необходи-
мость в сверлении с минимальным отклонением центра отверстия от
координатной сетки, особенно это касается выхода сверла из заготовки
(чем больше глубина обработки, тем больше вероятность ухода сверла).
Из-за неоднородности структуры диэлектрика, возможных отклоне-
ний в изготовлении сверла и ряда других факторов происходит уход оси
вращения инструмента от первоначального позиционирования.
Для предотвращения этого явления выпускаются специально разрабо-
танные сверла, в которых реализована идея точного врезания в обраба-
тываемый материал и повышенной жесткости за счет как материала
сверла, так и его конструкции. Такие сверла создают минимальные на-
пряжения в местах, где производилась обработка. По данным фирмы
НАМ, цилиндрическая часть при вершине сверла, как показано на
рис. 2.3, позволяет минимизировать увод инструмента в среднем до
12—15 мкм при полном погружении инструмента в материал.
В условиях массового производства бытовой техники стали ши-
роко использоваться так называемые «слотовые» сверла. С помо-
щью этого инструмента на станках с ЧПУ можно высверливать кон-
тур будущей небольшой платы, вырезать монтажные пазы или мар-
кировать панели. Они, как правило, выпускаются в небольшом
интервале диаметров от 0,5 до 2,00 мм и имеют рабочую длину по-
рядка 8 мм в зависимости от ди-
аметра инструмента. Конструк-
ция таких сверл направлена на
увеличение жесткости.
Для сверл большого диамет-
ра четырехгранная заточка при
вершине сверла не применяется.
Для уменьшения смещения цен-
тра отверстия от шага коорди-
Рис. 2.4. Заточка сверла со стружко-
ломом.
Обработка
для лучше то
центрирования
Стружколом
натной сетки применяют дополнительную подрезку кромок у вер-
шины сверла (рис. 2.4). Суть такой доработки заключается в том,
чтобы резать стружку на более мелкие элементы, не доводя до
сплошной ленточки.
2.1.3. Фрезерование [4]
Наряду с обрубкой контура и скрайбированием этот вид обработ-
ки приобретает все большую популярность благодаря высокой
гибкости и автоматизации. Для учета специфики обрабатываемо-
го материала и различных видов работ существует большое разно-
образие фрез: контурные и пазовые, фрезы для обработки гибких
печатных плат, для работ по комбинированным материалам (боль-
шое отношение толщины меди к диэлектрику; комбинация алю-
миний, медь, диэлектрик), фрезы для работ с термопластами
и мягкими материалами. Классическим представителем контур-
ных и пазовых фрез является инструмент с чередованием режущих
зубьев, словно зерна кукурузы (фото на рис. 2.5). Но на этом сход-
ство заканчивается, так как у «кукурузных» фрез имеются винто-
вые каналы для отвода стружки. Чем больше величина зуба и кру-
че поднимается стружечный канал, тем производительнее инстру-
мент, но при этом возрастает шероховатость обработанной
поверхности и, как следствие, падает точность. На фотографии
рис. 2.5 можно видеть вершину инструмента, на которой имеются
два зуба, обеспечивающие врезание фрезы по вертикали. Необхо-
димо тщательно подбирать подачу инструмента при фрезерова-
нии, так как производительность вершины фрезы превышает ее
производительность по боковой поверхности. Если пренебречь
FashA/elC?
Рис. 2.5. Вершина фрезы с двумя зубьями для врезания в материал.
этим, то на боковой режущей части фрезы на расстоянии 1,5...2 мм
от вершины быстро появится подгар и прилипшие продукты реза-
ния, которые не успевают освобождать сружковыводящие каналы.
В результате наступает преждевременное старение инструмента
как за счет возросшей температуры в зоне резания, так и от вы-
ключения из работы некоторого количества зубьев. Чтобы про-
длить срок службы фрез, необходимо оптимизировать подачу по
оси Z.
У «кукурузных» фрез имеется ряд особенностей, использование
которых может значительно облегчить обработку контура, а именно
отвод продуктов резания вниз или вверх при правом вращении
шпинделя. Конструктивно это выглядит так, как показано на
рис. 2.6 и 2.7. В практических целях большой интерес представляют
те фрезы, которые при своем вращении не поднимают обрабатывае-
мый материал, а наоборот, прижимают к столу станка и тем самым
способствуют повышению точности обработки.
В тех случаях, когда требуется выдерживать более точные раз-
меры изделия или иметь меньшую шероховатость поверхностей
после обработки, необходимо применять другой тип фрез
(рис. 2.8). Такие фрезы имеют отличную производительность
Fas+welcSlr5
Вершина фрезы
рыбий хвост
Вершина фрезы
ввиде сверла
Рис. 2.6. Фрезерование с выбросом
стружки вверх.
Рис. 2.7. Фрезерование с выбросом
стружки вниз.
и позволяют работать ими в широких пределах подач. Их разно-
видности отличаются углом подъема боковой режущей кромки,
величиной зубьев и их количеством. Эти элементы фрез влияют
на производительность и чистоту реза.
Для фрезерования гибких пе-
чатных плат и тех материалов, ко-
торые в момент резания начина-
ют «плыть», предназначены двух-
зубые фрезы с различной формой
вершины — «рыбий хвост» или
«сверло» (фото на рис. 2.9). Такие
фрезы справляются с печатными
платами, в которые впрессован
алюминиевый радиатор. Боль-
шой стружечный канал и доста-
точная жесткость обеспечивают
возможность работать как в объе-
ме, так и в плоскости.
В тех случаях, когда матери-
ал диэлектрика мягкий или име-
ет низкий порог теплоустойчи-
вости (лавсан, тефлон и т. д.),
используются фрезы с одним зу-
бом, которые также снабжаются
вершиной в виде «рыбьего хвос-
та» или «сверла».
Рис. 2.8. Фреза для тонкой обработ-
ки контура плат.
Рис. 2.9. Фреза «рыбий хвост».
FastwelcSl^
2.1.4. Влияние конструкции сверла
на качество сверления
Качество отверстий решающим образом зависит от геометрии рабо-
чей части сверл. Слишком большой угол при вершине сверла ведет
к осевому отклонению сверла при соприкосновении его с материа-
лом основания, слишком малый — к осевому отклонению внутри
материала, образованию крупной стружки, которая плохо удаляется
и приводит к повышенному износу сверла. Хотя, нужно заметить,
с уменьшением угла при вершине сверла до 80° наблюдается умень-
шение наволакивания смолы. Оптимальный угол при вершине при-
близительно равен 125°.
Образующаяся при сверлении фольгированного стеклопластика
трехкомпонентная стружка обладает рядом неприятных свойств,
с которыми приходится считаться: медная стружка, обладая малой
долей упругой деформации, способна сминаться и забивать спи-
ральную канавку; смоляное крошево, обладая хорошей адгезионной
способностью, будучи подогретым тепловыделениями при резании,
налипает на стенки спиральной канавки; стеклянный скол — абра-
зивный материал.
Полировка поверхности канавок обеспечивает хорошее сколь-
жение медной и стеклянной стружки, предотвращает прилипание
к ней крошек смолы. Тем не менее гарантии бесперебойного отвода
стружки наступают при достаточно широких отводных каналах, ес-
ли площадь спиральных канавок приблизительно вдвое больше, чем
площадь остальной внешней поверхности сверла.
Малый угол подъема винтовых канавок приводит к зажиму ре-
жущей кромки, слишком большой — к резкому врезу сверла, вызы-
вающему частую его поломку. Наиболее часто используемый угол
подъема винтовой канавки равен 28°.
2.1.5. Точность сверления
Современное автоматическое оборудование позволяет высверли-
вать отверстия с большей точностью, чем обычно достигаемая
в условиях производства. Причина этого заключается в том, что
на точность сверления оказывает влияние ряд факторов, связан-
л www.fastwel.ru
rOSTWei тел.: (095) 234-06-39
ных с неточностями геометрии сверл и особенностями стеклотек-
столитов.
Чем острее и прочнее сверло, тем меньше его доля в суммар-
ной ошибке. Та или иная степень разбалансировки, присущая
любому сверлу, всегда приводит к уменьшению точности свер-
ления.
Прочные стеклянные волокна стеклоткани отклоняют сверло,
ему легче ввинчиваться в мягкую смолу. Ясно, что точность сверле-
ния будет выше в материале, армированном тонкой стеклотканью.
Поэтому точность сверления повышается с уменьшением толщины
стекловолокна, плотности переплетения, с увеличением диаметра
сверла и содержания связующего. По мере увеличения стопы печат-
ных плат отклонение сверла становится все более заметным в ниж-
них платах.
Центрирование сверла можно намного улучшить, используя на-
правляющую втулку или короткие сверла. При сверлении прецизи-
онных МПП запрещается сверление более одной МПП в стопе.
2.1.6. Переточка сверл
Износ сверл происходит главным образом на режущих кромках —
это углы режущих кромок, главные грани, ленточки, главная режу-
щая кромка, вспомогательные режущие кромки. Непременное ус-
ловие хорошего качества сверл после переточки — отсутствие
скруглений главной режущей кромки. Опыт показывает, что этого
можно достичь только отшлифовыванием грани не менее чем на
0,3 мм.
Как уже отмечалось, для переточки твердосплавных сверл необ-
ходим специальный станок, аттестованный поточности исполнения
геометрии сверла.
Несмотря на возможность хорошей переточки изношенных
сверл, в производстве прецизионных МПП она используется огра-
ниченно. Износ сверл приводит к недопустимому изменению диа-
метра сверления.
Изготовленные на заводе сверла, как правило, не нуждаются
в проверке. Перезаточенные сверла нужно проверять в первую оче-
редь на правильность заточки вершины сверла.
Очень важно тщательное обращение со сверлами. Нужно по-
мнить, что твердосплавные сверла — чрезвычайно хрупкий инстру-
мент и даже легкий удар и тем более падение его на кафельный пол
разрушают его режущие элементы.
Важно ввести строгий учет соотношения использованных сверл
и просверленных печатных плат так, чтобы рабочий не имел воз-
можности сверлить плату изношенным сверлом. С другой стороны,
такой учет позволяет организовать на участке сверления входной
контроль сверл и тем самым поддерживать качество переточки сверл
на надлежащем уровне.
Стойкость твердосплавных сверл между переточками составляет
1000... 1300 отверстий, что соответствует суммарной глубине
1500...2000 мм. Критерий затупления — износ по задней поверхнос-
ти режущей части 0,05...0,07 мм для сверл диаметром до 1 мм
и 0,07...0,08 мм для сверл диаметром свыше 1 мм.
2.1.7. Режимы резания
Скорости резания и подачи должны выбираться так, чтобы получить
оптимальные соотношения между высокой производительностью,
стойкостью сверл и хорошим качеством отверстий.
Оптимальная скорость резания подбирается для каждого типа ма-
териала и каждого типа конструкции печатных плат и потом тщатель-
но поддерживается в процессе производства. Солидные производите-
ли базовых материалов (например, фирма ISOLA) сопровождают по-
ставки своих материалов рекомендациями по режимам сверления.
При оценке параметров резания следует иметь в виду, что ско-
Рис. 2.10. Характер изменения ско-
рости вращения шпинделя при
сверлении.
рость вращения сверла — вели-
чина непостоянная: в зависи-
мости от момента инерции
шпинделя он получает то или
другое замедление по мере вре-
зания сверла в тело штаты
(рис. 2.10), при пересечении
различных слоев материала
шпиндель получает разное за-
медление.
Fastwelt^;'
Скорость подачи выбирает-
ся из тех соображений, что
слишком малая подача увеличи-
вает нагрев сверла и стенок от-
верстия, большая подача огра-
ничена геометрией сверла —
главный задний угол а должен
быть всегда больше, чем угол ре-
за/7 (рис. 2.11).
ГОСТ 23664—79 рекомен-
дует следующие режимы реза-
ния: скорость резания — не
менее 40 м/мин, подача при
сверлении одно- и двухсторон-
них печатных плат 0,02...0,07
мм/об, для МПП — 0,02...0,05
мм/об. Подача обратного хода
должна быть как можно более
быстрой — сверло меньше раз-
мажет смолы по стенкам отвер-
стий.
Биение рабочей части свер-
ла, закрепленного в цанге стан-
Рис. 2.11. К выбору подачи сверла.
0J
® О 400 800 1200 1600 2000 2400
Количество сверлений, шт.
Рис. 2.12. Зависимость энергии
сверления от частоты вращения
шпинделя.
ка, не должно превышать 0,025 мм. Большее биение приводит к по-
явлению заметных заусенцев, «гвоздевому эффекту», к сколу и сло-
му сверла.
Отклонение от перпендикулярности оси шпинделя к базовой
поверхности стола не должно быть больше 0,01 мм, иначе будут на-
блюдаться увод сверла и увеличенные позиционные погрешности
сверления.
Усилие прижима вокруг обрабатываемого отверстия должно быть
1,5...2 МПа (15...20 кгс/см2).
Режимы и качество сверления удобно оценивать через энер-
гию сверления, т. е. энергию, требующуюся для разрушения и на-
грева материала. Процесс сверления исследуется известными
способами: частоту вращения шпинделя можно определять с по-
мощью призматического зеркала, закрепленного на оси шпинде-
Fas+welC^
Рис. 2.13. Зависимость степени за-
масливания стенок отверстий от
энергии сверления.
Расслоение i-----
п I
Вырывы ।-----
Полное замасливание ।--(
|
Средний насос ।---1
Легкий насос i----1
u I
Нет насоса---1
I______।_______।_______i—
4 8 12
Энергия сверления, Дж
Рис. 2.14. Степень дефектности от-
верстий в зависимости от энергии
сверления.
ля, и свето- и фотодиода для
регистрации частоты мелька-
ния отраженного луча; давле-
ние на сверло находят с помо-
щью пьезокварца, встроенного
в тело хвостовика сверла; тем-
пературу в зоне сверления оп-
ределяют термопарой: медь
слоя и подложки — тело сверла
или средствами инфракрасной
микроскопии. На рис. 2.12
и 2.13 показаны взаимосвязи
между энергией сверления
и процентом наноса смолы,
на рис. 2.14 — степень дефект-
ности отверстий от энергии
сверления.
В результате температурных
исследований установлено, что
при 360°С происходит полное
замасливание стенок отвер-
стий, при 150°С — частичное,
при 100°С — медные торцы чис-
тые [3].
Сила, действующая на свер-
ло, прямо связана с затуплением
режущих кромок.
Наиболее доступный и наиболее информативный метод ис-
следования процесса сверления — оценка его через энергию
сверления, которая определяется по изменению частоты враще-
ния шпинделя между входом и выходом сверла. На рис. 2.12 по-
казаны результаты таких исследований в виде количества тепло-
ты, выделяемой на разных скоростях сверления с увеличением
числа сверлений. Так, при частоте вращения 30 тыс. об/мин теп-
ловыделения увеличиваются в среднем с 2 до 4,5 Дж после 2400
сверлений, при 70 тыс. об/мин — с 4,5 до 9 Дж после того же
числа сверлений.
2.1.8. Характерные дефекты сверления
Дефекты сверления лучше всего выявляются при контроле качества
исполнения технологии по микрошлифам. Однако и по внешним
признакам просверленной платы можно увидеть характерные де-
фекты сверления и своевременно принять меры по их устранению.
При контроле операции сверления сверяют показания счетчика
сверлений с требуемым по документации числом отверстий, измеря-
ют размеры отверстий и их позиционную точность по контрольной
сетке или с помощью прецизионной измерительно-координатной
системы.
Смещение, если оно имеет одно направление по всей печатной пла-
те, означает необходимость корректировки позиционирования платы.
Наличие заусенцев определяют, сверяя на ощупь поверхность
контролируемой платы с образцом-эталоном. Мелкие заусенцы уст-
раняются тонкой шкуркой, при этом нельзя сильно придавливать
ее, чтобы не завальцевать заусенцы внутрь отверстия. При высоте за-
усенцев более 30 мкм следует проверить геометрию сверл, перето-
чить или заменить сверло; проверить и устранить биение сверла, за-
крепленного в шпинделе станка; попробовать изменить режимы
сверления; при появлении заусенцев на выходе отверстия следует
сменить подкладку под плату и увеличить прижим платы.
При слишком больших подачах сверла и сильном его износе образо-
вание заусенцев сопровождается отслоением фольги.
Малейшее затупление режущих кромок приводит к развальцо-
выванию фольги контактных площадок на внутренних слоях («гвоз-
девой эффект») и появлению заусенцев на наружных слоях.
Сколы, ореолы, заполировка, поджог и засаливание поверхности
отверстий, налипание меди и стеклотекстолитовой пыли на сверло,
дробленая поверхность отверстия получили разъяснение выше.
Ореолы — наиболее часто встречающийся дефект сверления, яв-
ляющийся сам по себе причиной других дефектов печатных плат.
В подозрительных случаях этот дефект можно обнаружить, удалив
фольгу наружных слоев и подвергнув остатки платы термоудару лю-
бым способом: на волне припоя, в масле, в установке для оплавле-
ния и т. п. Ширина поверхностных сколов и посветлений (ореолов)
вокруг отверстий не должна превышать указанной в ГОСТ 23662.
2.2. Бесстружечная обработка
Бесстружечная обработка отличается особенно низкими затрата-
ми при использовании специальных инструментов Конструк-
ции отверстий и пазов во внешнем контуре, ориентированных на
бесстружечную обработку, разрабатываются по специальным
нормам. Материалы оснований, используемые для штамповки,
должны обладать соответствующей способностью к этой обра-
ботке [6].
2.2.1. Раскрой материалов
Резка заготовок из пластин или рулонов слоистых диэлектриков
осуществляется на ударных, дисковых или роликовых ножницах
с ручной или автоматической подачей материала. Линия реза на-
правлена так, что не возникает расслоения материала и других по-
вреждений на его поверхности. Внешний контур односторонних пе-
чатных плат и слоев МПП при партиях до 5000 шт. формируется
с помощью универсальных штампов, а при больших сериях — на
скоростных эксцентриковых прессах, оборудованных специальным
режущим инструментом. Спрессованные МПП бесстружечными
методами по возможности не обрабатываются, так как слишком ве-
лика опасность их расслоения.
Процесс обработки плат по контуру изучен довольно полно.
Работы развиваются в направлении автоматизации процесса и по-
вышения износостойкости инструмента. Для резки фольгирован-
ных диэлектриков и прокладок используются роликовые одно-
и многоножевые и гильотинные ножницы. Размеры заготовок рас-
считываются с учетом оптимального размещения слоя ПП, техно-
логического припуска для последующих операций (30 мм) и необ-
ходимости минимального расходования материала. Листы исход-
ного материала разрезаются на роликовых ножницах. Режущие
элементы ножниц изготовлены из твердого сплава, поэтому они
обеспечивают высокую стойкость, производительность (до 720 за-
готовок/ч) и надежность в работе. Получение заготовок слоев осу-
ществляется штамповкой на кривошипных прессах. Предельные
отклонения заготовок составляют ±2 мм. Базовые и технологичес-
кие отверстия в заготовках слоев также получаются штамповкой на
кривошипных прессах. Для формирования контура плат и фрезе-
рования окон в печатных платах используется станок с программ-
ным управлением.
2.2.2. Штамповка
Неметаллизируемые отверстия в односторонних печатных платах
в количестве свыше 2-Ю4 изготавливаются специальными инстру-
ментами. Чтобы выдержать жесткие допуски на расположение отвер-
стий при обработке нагретого материала, следует учитывать возника-
ющее при пробивке отверстий тепловое расширение инструмента.
На небольших партиях экономически оправдано применение
штампов со стандартной пробивкой отверстий или автоматизирован-
ных однодырочных штампов. Штампы со стандартной пробивкой
формируют отверстия во всех узлах координатной сетки. Изготовле-
ние всех отверстий с помощью штампа, формирующего отверстия че-
рез один узел координатной сетки, осуществляется за четыре перехода
благодаря соответствующему горизонтальному и вертикальному пере-
мещению печатной платы. Предпосылками для использования стан-
дартного многодырочного штампа являются одинаковый диаметр от-
верстий и их стандартное расположение. Управление позиционирова-
нием однодырочного штампа с револьверной головкой позволяет
быстро перестраивать программу пробивки для различных диаметров
отверстий под индивидуальный проект односторонней платы.
2.2.3. Испытания материалов на штампуемость
Процесс выштамповки отверстий очень чувствителен к штампуе-
мости материлов. Испытание на пробивку отверстий производится
по тестплате, показанной на рис 2 15. По результатам осмотра пе-
ремычек между ромбами можно определить минимальное расстоя-
ние Ь, на котором отсутствуют трещины. Далее определяется значе-
ние kj в качестве параметра пробивки:
к, = Ь/А,
где Д — толщина материала основы (диэлектрика).
Рис. 2.15. Тест-плата для испытаний материалов на штампуемость
с ромбическими тест-элементами.
Этот метод испытания для практических случаев применения
малоубедителен, так как подобное выполнение рисунка пробивки
встречается очень редко. На рис. 2.16 представлена пробивки, в ос-
нове которой лежит круглая форма отверстий.
2.3. Сверлильные станки
Современные сверлильно-фрезерные станки для сверления печатных
плат объединены общими признаками технического исполнения:
Рис. 2.16. Тест-плата для испытаний
материалов на штампуемость с круг-
лыми тест-элементами.
• стол-основание из нату-
рального камня или грани-
та;
• стандартный привод X-Y
на линейных двигателях;
• перемещение по X- Y рабо-
чих органов на воздушных
подшипниках;
• малая масса рабочего сто-
ла за счет использования
новых композиционных
материалов, в частности
углепластика;
• высокоскоростной шпин-
дель: 150 тыс. об/мин, вы-
сокочастотный шпиндель
для микросверления —
180 тыс. об/мин;
• автоматическая смена инструмента;
• система лазерного контроля состояния инструмента до
и в процессе работы;
• управляемый скоростной сервопривод по оси Z;
• контроллер компьютерного управления.
Благодаря удачной сбалансированности этих элементов кон-
струкции создается хорошее сочетание точности позициониро-
вания (до ±5 мкм) и производительности (до 400 отв/мин), воз-
можность механического сверления отверстий с диаметром до
0,1 мм, точность глубины сверления до ±25 мкм (для станков
KLG — ±7 мкм), высокая скорость перемещения: по осям X-Y
с ускорением 10—15 м/с2, по оси Z — 3,6g. Автоматическая смена
инструмента согласуется с производительностью станка — мага-
зин сверл может загружаться сотнями и даже тысячами сверл де-
сятка номенклатур.
2.4. Химическое сверление
Использование полиимидных пленок для наращивания слоев
МПП позволяет вытравливать в них глухие отверстия в крепких го-
рячих щелочах. Для этого первоначально в соответствующих мес-
тах вытравливаются окна в фольге, которая в данном случае играет
роль маски. Этот групповой метод оформления отверстий, естест-
венно, обладает высокой производительностью. Но отсутствие со-
ответствующих установок со струйной обработкой горячими щело-
чами вынуждает использовать погружное травление, что влечет за
собой нежелательное подтравли ван ие диэлектрика под фольгой.
Тем не менее при отсутствии соответствующего оснащения травле-
ние отверстий остается единственным способом выполнения глу-
хих отверстий.
2.5. Лазерное сверление
Лазер — источник электромагнитного излучения видимого, инфра-
красного и ультрафиолетовых диапазонов, основанный на вынуж-
денном излучении атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из
начальных букв (аббревиатуры) слов английской фразы: «LIGHT
Глава 2. Сверление
AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION», что
означает «усиление света в результате вынужденного излучения». Та-
ким образом, в самом термине «лазер» отражена та фундаменталь-
ная роль процессов вынужденного излучения, которую они играют
в генераторах и усилителях когерентного света.
2.5.1. Особенности лазерного излучения
По сравнению с другими источниками света лазер обладает рядом
уникальных свойств, связанных с когерентностью’ и высокой на-
правленностью его излучения. Излучение «нелазерных» источни-
ков света не имеет этих особенностей. Никакая оптическая систе-
ма не позволяет получить на поверхности освещаемого объекта
плотность мощности излучения большую, чем в самом источнике
света.
Задача создания источника когерентного света была решена
с появлением лазера, в котором используется принципиально иной
метод высвечивания возбужденных атомов, позволяющий, несмо-
тря на некогерентный характер возбуждения отдельных атомов,
получать когерентные пучки света с очень малой расходимостью.
Кроме того, малая расходимость излучения позволяет с помощью
обычных оптических систем концентрировать световую энергию
в ничтожно малых объемах, создавая громадные плотности энер-
гии. Когерентность и направленность излучения открывают прин-
ципиально новые возможности использования световых пучков
там, где нелазерные источники света неприменимы.
Таким образом, лазерное излучение отличается:
• монохроматичностью;
• малой расходимостью лучей;
• когерентностью излучения.
Именно эти свойства лазерного излучения создают возможность
сосредоточения в пятне излучения большой плотности мощности
(непрерывной или в импульсе).
1 Когерентность — синфазность излучения. Если разность фаз колебаний остается
постоянной во времени, то колебания называют когерентными. Колебания, у кото-
рых разность фаз беспорядочна, называют некогерентными.
Гармоники Nd:YAG
5-я 4-я 3-я Аг-чоп 2-я
NdYLF CQ
212 244 355 488 532
1064 1321
Ул ьтрафиолетовая
область
Видимая область
Инфракрасная область
Рис. 2.17. Длины волн излучения технологических лазеров.
Предельная расходимость луча определяется естественной ди-
фракцией света - дифракционной расходимостью1:
&D = 1,22 2/D.
Реально угловой диаметр пучка когерентного света: 0 = 30р.
На расстоянии х от апертуры радиус пятна г = F®, где F- фокус-
ное расстояние оптической системы.
Таким образом, чем короче фокус оптической системы, тем
меньше пятно. Однако интенсивное выделение (испарение, выбро-
сы) продуктов термораспада может загрязнить оптику и поэтому не
позволяет использовать короткофокусную оптику.
Реально уменьшение диаметров пятен лазерного излучения не
беспредельно: в табл. 2.1 показаны рабочие характеристики техноло-
гических лазеров
1 Дифракционная расходимость — расширение светового (волнового) пучка за счет
дифракции света на краях диафрагм, оправ, отверстий и т.п. Дифракционная расхо-
димость Qd пропорциональна длине световой волны Л и обратно пропорциональна
диаметру диафрагмы D. В угловой мере дифракционная расходимость когерентного
излучения QD = kX/D, где к — коэффициент, зависящий от распределения интенсив-
ности на апертуре излучателя. Для круглого отверстия, освещенного плоской вол-
ной. к = 1.22.
Таблица 2.1.
Лазеры Режим Основная длина волны излучения, мкм Мощность излучения, Расходи- мость излу- чения Реальный радиус пятна, мкм
Тип Вид активного тела лазера
Газовые С02 + n2 (непрерывный) Непрерыв- ный 10,6 10...15 кВт До 25 мрад 50...75
Аг+ Непрерыв- ный 0,488 До 20 Вт 0,5... 1,5 мрад 5...10
Kr+ + F (эксимерный) Импульс- ный 0,249 20...250 Вт 2 . 15 мрад 2...3
Kr+ + CI (эксимерный) Импульс- ный 0,3 50...300 3 20 мрад 3...5
Твердотельные Алюмо- итриевый гранвтс неодимом (YAG:Nd3+) Непрерыв- ный 1,06 0,05...1000 Вт 2...24 мрад 10...30
Импульс- ный свободной генерации 1,06 20...600 Вт 2..24 мрад 10...30
Импульс- ный с модулиро- ванной доброт- ностью 1,06 2...100 МВт (пиковая) 0,3...3 мрад 2...10
Режим синхрони- зации мод 1,06 До 2 ГВт (пиковая) ОД..0,7 мрад 0,5...2
Рубин Импульс- ный с модулиро- ванной доброт- ностью 0,6943 До 1 ГВт (пиковая) 0,3...1 мрад 1...3
Полупровод- никовые GaAIAs Импульс- ный (одиночные лазеры) 0,8...0,9 5...30 Вт (пиковая) 20...40 град До 5 мм
Излучения лазеров, наметившихся к применению в технологиях
печатных плат, показаны на рис. 2.17.
2.5.2. Воздействие мощного лазерного излучения
на вещество
Высокая мощность лазерного излучения в сочетании с высокой на-
Рис. 2.18. Воздействие лазерного пучка на вещество.
правленностью позволяет с помощью фокусировки получать свето-
вые потоки огромной интенсивности (рис. 2.18).
1. При плотности мощности порядка 105 Вт/см2 начинается
плавление материала. По мере поступления световой энергии грани-
ца между жидкой и твердой фазами (поверхность расплава) посте-
пенно перемещается вглубь материала. При этом площадь расплава
увеличивается, теплота начинает более интенсивно отводиться
в глубинные слои за счет процессов теплопроводности, в результате
устанавливается стационарная поверхность расплава.
2. При воздействии потоком излучения порядка 106...108 Вт/см2
материал в зоне облучения разрушается с образованием кратера, окру-
женного ярко светящимся плазменным факелом. Плазменный факел
представляет собой движущийся пар, нагретый и ионизированный ла-
зерным излучением (рис. 2.19).
Реактивное давление пара, выбрасываемого с поверхности материа-
ла, сообщает мишени импульс отдачи. Испарение происходит с поверх-
ности тонкого слоя жидкого материала, нагретого до температуры в не-
сколько тысяч градусов. Температура слоя определяется равенством по-
глощенной энергии и потерь на охлаждение, связанное с испарением.
Роль теплопроводности в охлаждении слоя при этом несущественна.
Рис. 2.19. Плазменный факел.
3. При повышении плотности световой мощности до 109 Вт/см2
поглощающий слой вещества разогревается так сильно, что сразу
превращается в плазму. В этом случае уже нельзя говорить об испа-
рении мишени, границе раздела фаз и т.п. Энергия лазерного излу-
чения расходуется на нагревание плазмы и продвижение фронта
разрушения и ионизации вглубь мишени. Температура плазмы ока-
зывается столь высокой, что в ней образуются ионы с почти обод-
ранной электронной оболочкой, что до недавнего времени наблюда-
лось только в излучении солнечной короны.
4. При интенсивности излучения 1011 Вт/см возникает оптичес-
кий пробой газа — лазерная искра: в фокусе оптической системы на-
блюдается яркая световая вспышка и сильный звук. Образование ла-
зерной искры состоит из двух стадий: 1) образование в фокусе лин-
зы первичной (затравочной) плазмы, обеспечивающей сильное
поглощение лазерного излучения; 2) распространение плазмы вдоль
луча в области фокуса.
5. При энергиях лазерного излучения больших чем 1012 Вт/см2 воз-
можно осуществление реакции термоядерного синтеза.
2.5.3. Воздействие лазерного излучения
на материалы печатных плат
Разные вещества по-разному поглощают (сорбируют) лучевую
энергию. Поэтому для обработки материалов печатных плат при-
ходится использовать лазеры различного типа, отличающиеся
ния поверхностей материалов
в функции длины волны.
длиной волны и энергией излу-
чения. На рис. 2.20 показаны
коэффициенты отражения по
верхностеи различных матери-
алов, используемых в произ-
водстве печатных плат, харак-
теризующие степень их невос-
приимчивости к поглощению
лучевой энергии. Сорбирую-
щую способность поверхностей
можно было бы корректировать
нанесением маскирующих по-
крытий, но после его испарения поверхность обработки оказыва-
ется очищенной.
В табл. 2.2 показано, как реагируют материалы печатных плат на
излучение в инфракрасном (СО2-лазер) и ультрафиолетовом (YAG-
Nd-лазер) диапазоне.
Таблица 2.2. Реакция материалов на воздействие лазерного излуче-
ния [8].
Материал Реакция на излучение
YAG-лазера СС>2 -лазера
Медь Поглощает. Испаряется медленнее,чем диэлектрики Не реагирует
Стекло-эпоксид Испаряется. Очень мало шламит Поглощает. Слегка подгорает
Стекло-полиимид Испаряется. Очень мало шламит Поглощает. Слегка подгорает
Нетканый арамид Поглощает Поглощает
Фторопласт (тефлон) Поглощает. Материал плавится Хорошо поглощает
Лакированная фольга (RCF) Хорошо поглощает. Оставляет мало шлама Хорошо поглощает. Оставляет незначительное количество пепла
Полиимидная пленка Хорошо поглощает. Оставляет мало шлама Хорошо поглощает. Оставляет незначительное количество пепла
LCP-пленка Хорошо поглощает Хорошо поглощает
Лазеры особенно удобно использовать для сверления глухих от-
верстий. Если для этого удобно использовать СО2-лазер
(рис. 2.21), лазерный луч после
испарения толщи диэлектрика
упирается в медный слой, очи-
щая дно глухого отверстия для
последующей металлизации
(рис. 2.21).
Различия в сорбционной
способности материалов застав-
ляют перестраивать режимы
сверления, как для примера по-
казано в табл. 2.3.
ненные лазерным сверлением: а —
отверстие в диэлектрике после свер-
ления СО2-лазером в окне фольги;
б — глухое отверстие после металли-
зации.
Таблица 2.3. Типичные режимы испарения материалов подложек под
излучением СО2-лазера в импульсном режиме[8].
Материалы Толщина материала, мм Количество импульсов лазера на одно отверстие Скорость сверления, отверстий в секунду
Стекло-эпоксид 0,1 10 14
0,05 6 24
Нетканый арамид 0,1 5 28
0,05 3 45
Фторопласт (тефлон) 0,05 2 70
Лакированная фольга (RCF) 0,05 2 70
0,07 4 34
Полиимидная пленка
(Kapton) 0,05 2 70
Стеклоцианатный полиэфир 0,2 18 10
LCP 0,05 4 34
2.5.4. Физические процессы при лазерном сверлении
Лазерное сверление возможно в любых материалах, вплоть до алма-
за. Как правило, для этой цели используют импульсные лазеры
с энергией в импульсе 1...30 Дж при длительности 0,1...! мс, плотно-
сти потока излучения в зоне обработки 10 МВт/см2 и более. Макси-
мальная производительность достигается при сверлении отверстий
за один импульс с большой энергией (до 30 Дж). При этих условиях
основная масса материала удаляется из отверстия в расплавленном
состоянии под давлением пара, образовавшегося в результате испа-
рения относительно небольшой части вещества. Это происходит по-
тому, что при больших интенсивностях лучевого нагрева жидкий
слой расплава оказывается настолько перегретым, что происходит
бурное объемное вскипание жидкости, близкое к взрыву. Возникаю-
щее в процессе лазерной обработки испарение материала преграж-
дает доступ излучения к поверхности материала — часть излучения
интенсивно отражается от поверхности плазмы, другая часть погло-
щается ею. Поэтому для обработки материала важно, чтобы плазма
успевала рассасываться во временных интервалах между импульса-
ми излучения (рис. 2.22).
Максимальная точность и управляемость процессом сверления
достигается при воздействии на материал серии импульсов с отно-
сительно небольшой энергией (обычно 0,1...0,3 Дж) и малой дли-
тельностью (0,1 мс и менее).
Проблемы, возникающие при лазерном сверлении, состоят
в необходимости своевременного удаления продуктов испарения,
поглощающих излучение, в предотвращении расфокусировки луча
по мере углубления отверстия и образования конусности отвер-
стия. Для получения в зоне облучения отверстия с вертикальными
стенками необходимо заставить процесс развиваться в следующих
условиях:
во-первых, должен использоваться режим, при котором испарение
со дна образующегося отверстия (кратера) преобладало бы над плавле-
нием стенок отверстия. Для этого импульс должен быть коротким;
во-вторых, опускание дна отверстия по мере испарения вещест-
ва должно приводить к расфокусировке в направлении увеличения
расходимости лучей и ослабления поглощаемой энергии, т.е. обра-
Рис. 2.22. Стадии образования отверстия при лазерном сведении: а —
поверхностное расплавление; б — глубинное расплавление;
в — расплавление объема отверстия с началом образования
перегретого пара; г — выброс продуктов испарения из объема
отверстия.
ботку производят за фокальной плоскостью объектива, в области
расходящихся лучей.
Нарушение последнего условия приводит к повышению погло-
щаемой энергии в конце импульса, когда дно отверстия наполняет-
ся расплавом с подплавленных стенок. Расплав, вскипая, выплески-
вается наружу, разбрызгивается по подложке и скапливается по кра-
ям отверстия, образуя кайму кратера. Выдавливание жидкой фазы со
стенок ведет к образованию конусности.
Лазерное сверление определяется следующими параметрами:
• диафрагмированием луча (чтобы выровнять плотность излуче-
ния по площади лазерного пятна);
• степенью расфокусировки;
* энергией в импульсе;
• числом импульсов в последовательности (пачке);
• степенью поглощения (черноты) энергии поверхностью.
Преимущества лазерного сверления отверстий состоят:
• в отсутствии изнашивающегося инструмента;
• высокой точности фиксации зоны обработки;
• возможности ориентирования отверстия в любом направлении;
• возможности формирования отверстий очень малого диаметра
(0,003...0,4 мм) и любой формы в материалах любой твердости
вплоть до алмаза.
Конусность при формировании отверстия уменьшается при воз-
действии на материал серии импульсов (модуляция импульса). Воз-
можно сверление сквозных и глухих отверстий с различными форма-
ми поперечного (круглые, треугольные и т.п.) и продольного (цилин-
дрические, конические и др.) сечений. Освоено сверление отверстий
диаметром до 3 мкм при отношении глубины к диаметру до 10.
Производительность лазерных установок для сверления отвер-
стий обычно до ста отверстий в секунду, что несоизмеримо с самы-
ми высокопроизводительными сверлильными станками.
2.5.5. Современное состояние лазерного сверления
печатных плат
Предлагается ряд совершенно новых решений для микросверления,
основанных на использовании мощных лазеров. Эти лазерные систе-
Головка
лазера
Луч лазера
Отраженное
излучение
Основание
отверстия
Рис. 2.23. Схема испарения объемов глухих отверстий через окна в фольге.
мы более производительны, позволяя сверлить сотни отверстий в се-
кунду диаметром от 0,05 до 0,2 мм. Активная среда Cu-Br-лазера, из-
лучающего на длинах волн 511 и 578 нм, или М7. Е46-лазера с длиной
волны на третьей гармонике 355 нм специально выбрана для хороше-
го поглощения энергии излучения медью в ультрафиолетовой облас-
ти спектра. Необходимость использования таких систем обосновы-
вается большим количеством микроотверстий в платах с высокой
плотностью межсоединений (MLB-HDI). Плотность размещения та-
ких отверстий в MLB-HDI-платах достигает 10 тыс. на 1 дм2.
Для сверления комбинации фольги и диэлектрика приходится
варьировать мощность лазера так, чтобы сверление фольги произво-
дилось при плотности энергии 4 Дж/см2, а диэлектрической под-
ложки — 0,1 Дж/см2. Аппаратное воплощение такой смены режимов
в ходе сверления встретило затруднения. Поэтому в новых разработ-
ках пока планируется использовать два разнородных лазера, совме-
щенных в одной головке: СО2-лазер для сверления диэлектрика
и «зеленый» эксимерный лазер для сверления меди. Лучи обоих ла-
зеров сводят в одну точку так, что они одновременно или попере-
менно обрабатывают отверстие. В более дешевых установках лазер-
ного сверления используется СО2-лазер, испаряющий материал ди-
электрика через окно, вытравленное в фольге (рис. 2.23).
2.6. Очистка отверстий
Уже отмечалось, что в процессе сверления медные торцы внутрен-
них слоев МПП оказываются загрязненными расплавленной и раз-
мазанной сверлом по стенкам отверстия смолой, используемой в ка-
честве связующего композиционных материалов. Очистка поверх-
ности отверстий должна обеспечить надежность внутренних соеди-
нений в МПП. Известно несколько приемов очистки отверстий
МПП: химическая, гидроабразивная, плазмохимическая, хонинго-
вание водяным паром.
2.6.1. Химический способ
Химический способ очистки состоит в стравливании тонкого слоя
смолы так, чтобы снять замасливание с медных торцов внутренних
слоев. Для травления смолы фольгированных стеклопластиков ис-
пользуют реакции с полным удалением продуктов травления, когда
образуются такие легкоудаляемые продукты, как вода, СО2, органи-
ческие соединения с малой молекулярной массой и др.
Разработанные для производства МПП тонкие травящиеся
эпоксидные стеклопластики рассчитаны на травление в серной
и плавиковой кислотах: концентрированная серная кислота — для
травления эпоксидной смолы, плавиковая — стекла. Но высокая
скорость травления диэлектрика в серной кислоте делает процесс
неустойчивым и трудно контролируемым. Очень часто возникает
брак из-за слишком глубокого подтравливания. Мало того, фтор-
ион плавиковой кислоты не образует ни с одним элементом нерас-
творимых соединений. Это затрудняет нейтрализацию отработан-
ных растворов подтравливания диэлектриков. Поэтому в последнее
время используют более мягкие очищающие растворы на основе
хроматов и перманганатов. Хорошие результаты получены при трав-
лении эпоксидных смол хромсодержащими смесями, например, со-
става 650 г/л H2SO4 и 130 г/л игГ3.
Сейчас повсеместно успешно используется процесс очистки от-
верстий в щелочных перманганатных растворах состава: КМпО4 —
40...70 г, КОН — 100... 120 г, вода — до 1 л. При времени обработки
10...15 мин и температуре 5О...7О°С достигается наилучшее качество
очистки. Предварительно отверстия обрабатываются в сильном ор-
ганическом растворителе, который уравнивает остекленную темпе-
ратурой сверления смолу на торцах контактных площадок со смолой
стенок, чем достигается равномерность удаления замасливания. По-
этому достаточно легкого подтравливания, чтобы очистить торцы.
Стеклянный ворс, появляющийся на стенках отверстий в результате
стравливания слоя эпоксидной смолы, настолько незначительный,
что не требует стравливания плавиковой кислотой.
2.6.2. Перманганатная очистка
Перманганатная очистка имеет ряд неоспоримых преимуществ
в очистке отверстий от наноса смолы на торцы контактных площа-
док внутренних слоев МПП после сверления. Фирма Schiplay ис-
пользует этот процесс даже в технологии двухсторонних печатных
плат, полагая, что последующая металлизация отверстий идет лучше
после перманганатной очистки.
Поскольку перманганатная очистка сегодня наиболее эффек-
тивный процесс, приводим более подробную информацию по его
использованию.
1. Ванна кондиционирования:
Метил этилкетон (возможна замена на ацетон) Гидроокись натрия Питьевая вода Температура Время обработки 250 мл/л 18-20 г/л До литра 18-25°С 5—10 мин При использовании ацетона — 15—20 мин
2. Ванна промывки: Вода питьевая Температура Время промывки Кратность обмена — 2 объема в час 50-60°С 5—6 мин
3. Ванна подтравливания диэлектрика:
Перманганат калия Гидроокись калия Вода питьевая Температура Время обработки 40—50 г/л 35—45 г/л До литра 70±2°С 15—25 мин
4. Ванна восстановления:
Натрий надсернокислый
Серная кислота
Вода питьевая
Температура
Время обработки
35 г/л
15—20 мл/л
До 1 л
18—25°С
7-10 мин
5. Ванна промывки:
Вода питьевая
2 объема в час
Температура
Время промывки
Кратность обмена —
50—60°С
5—6 мин
Перманганатная очистка широко распространена, ее предлага-
ют практически все фирмы, поставляющие оборудование струйной
обработки. Особенность такого оборудования состоит в необходи-
мости использования некорродирующих нагревостойких материа-
лов. Это станет понятно из представленной выше технологии.
2.6.3. Гидроабразивная очистка
Для снятия наволакивания смолы на торцах контактных площадок
и сошлифовывания стеклянного ворса со стенок отверстий эффек-
тивно использовалась гидроабразивная очистка: поверхность стенок
отверстий становится чистой, свободной от заусенцев и загрязнений,
достигается скругление острых кромок. Эта очистка отверстий заодно
хорошо очищает поверхность фольги, создает на ней хорошую и ров-
ную шероховатость. В этом состоят значительные преимущества гид-
роабразивной очистки. Но это дорогой процесс, требующий большо-
го расхода сжатого воздуха, абразивного порошка. Когда перед произ-
водителями встает вопрос очистки тонких отверстий, соизмеримость
размеров абразивных частиц с просветом в отверстиях делает эту тех-
нологию бесперспективной. Действительно, гидроабразивная очист-
ка неприменима для отверстий с диаметром меньше 6...8 суммарных
размеров частиц абразива. Если в гидропульпе присутствуют частицы
с поперечником 50 мкм (зернистость М40), отверстия с диаметром
меньше 0,3...0,4 мм будут закупорены и необработаны. Кроме того.
__________1^7^. л www.fastwel.ru
rOSTWGI тел.: (095) 234-06-39
что гидроабразивная обработка требует громоздкого дорогого обору-
дования, ей необходима компрессорная станция с производительнос-
тью 1000 куб. м/ч, 6 бар. Керамические форсунки, из которых выбра-
сывается гидропульпа, быстро изнашиваются и требуют относитель-
но частой замены. Централизованные поставки их отсутствуют.
2.6.4. Плазмохимическая очистка
Эта очистка отверстий производится за счет ионного травления смолы
в среде высокочастотной плазмы газов (в данном случае в среде фрео-
на и кислорода). Заготовки плат включаются в камере как катод и под-
вергаются бомбардировке ионами из газоразрядной плазмы. Плазма
превращает эпоксидную смолу в легколетучие продукты, легкоудаляе-
мые из отверстий. Этот процесс сухой, но требует дополнительных об-
работок для удаления пепла и снятия электростатических зарядов.
Для плазменной обработки платы помещаются в пространство
между двумя параллельно расположенными электродами, имеющи-
ми отверстия, совпадающие с отверстиями МПП. Пакеты плат рас-
полагаются в камере, которая герметизируется и наполняется сме-
сью кислорода и фреона. На электроды подается высокое напряже-
ние с частотой 15 МГц от генератора мощностью в несколько
киловатт. Между электродами возникает ВЧ-разряд. Плазма свобод-
но проходит по каналу, образованному отверстиями МПП и элект-
родов, производя при этом их очистку. Применяют и другие конст-
рукции электродов, например в виде мелкой сетки, пригодной для
любых МПП с произвольным расположением отверстий.
Плазменная очистка не обеспечивает равномерности очистки от
отверстия к отверстию и внутри отверстия из-за экранирования внут-
ренних слоев внешними. Сам по себе этот процесс дорогой, требует се-
рьезных капитальных и текущих затрат. Вместе с тем в плазмохимичес-
кой обработке используются газы: фреон, кислород, азот. Они требуют
организации газобаллонного хозяйства и регулярной поставки газов.
2.6.5. Двойное сверление
При крайнем нежелании использования химических методов очист-
ки чистоту стенок отверстий можно обеспечить двойным сверлени-
Рис. 2.24. Микрошлифы отверстий:
а) неочищенные отверстия, б) очи-
щенные отверстия.
ем с разницей диаметров сверл в 0,05 мм. Но такой метод в два раза
снижает производительность, а от станка требуется большая повто-
ряемость. Иначе при входе сверла в отверстие при втором сверлении
оно может получить большие изгибные деформации и быстро сло-
маться.
2.6. б. Контроль качества очистки
Контроль качества очистки медных торцов от наволакивания смолы
осуществляется в основном при осмотре микрошлифов металлизи-
рованных отверстий (как, например, показано на рис. 2.24), так как
тонкая пленка смолы прозрачна и не маскирует меди при визуаль-
ном осмотре отверстий после сверления.
ГЛАВА 3
ХИМИЧЕСКИЕ
И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
3.1. Общие понятия
Химическими технологическими процессами называют процессы об-
работки поверхности в результате химических реакций, протекаю-
щих при комнатной или близкой к ней температуре (примерно до
+100°С): химическая металлизация, хроматирование и фосфатиро-
вание, химическое травление неорганических и органических мате-
риалов, химическая очистка поверхности.
Электрохимическими технологическими процессами называют
процессы обработки поверхности металлов или других проводящих
покрытий под действием электролиза: гальваническое осаждение,
анодирование в растворах, электрохимическое травление
Химические и электрохимические процессы применяют для на-
несения слоев, модифицирования поверхности, общего или локаль-
ного удаления слоев. Реакции носят гетерогенный характер, т.е. про-
текают на границе двух фаз — твердого тела и жидкости.
Нанесение металлической пленки производят из раствора, со-
держащего ионы осаждаемого металла. Пленка образуется в резуль-
тате восстановления на подложке катионов осаждаемого металла пу-
тем присоединения электронов:
Мег+ + № -» Ме°,
где е — электрон, Мег+ — ион металла, Ме° — восстановленный ион
металла, z — валентность металла.
В тех случаях, когда необходимые для восстановления электро-
ны освобождаются вследствие реакций окисления, идущих в раство-
ре без помощи внешнего источника электрического тока, имеет ме-
сто химическая металлизация (рис. 3.1).
*Ме
ОН~ 1
— О1Г+К^1/2Н2 + ё+ R-O
~ Z+ < _
*Ме __
Рис. 3.1. Химическая металлизация.
Электрохн мн ческая (гальванкческаи)
металлизация
Закон Фарадея:
m = KIt K = AZ/F
F=9b 500 Кл/(г. атом)
Для двухвалентной меди К= 1,186 г/Кл
Рис. 3.2. Электрохимическая метал-
лизация.
Если электроны поступают
от внешнего источника, то
осаждение — электрохимическое
(гальваническое) (рис. 3.2).
Преимуществом химичес-
кой металлизации является воз-
можность осаждения металла на
непроводящие подложки, одна-
ко химический процесс медлен-
ный, неустойчивый процесс.
Скорость осаждения металла
при химической металлизации
составляет 1...2 мкм/ч. Электро-
химические покрытия отличает
повышенная прочность сцепле-
ния и высокая скорость осажде-
ния — 30...40 мкм/ч (в производ-
стве печатных плат). Когда
формы деталей простые, гальва-
ническое осаждение можно про-
водить при высоких плотностях
тока, и тогда скорость осажде-
ния доходит до 100 мкм/ч.
Оба вида металлизации час-
то используют в сочетании друг
с другом. Например, в техноло-
гии печатных плат, по где хими-
ческой металлизацией поверхности диэлектрика создают проводя-
щую подложку толщиной 0,5...1 мкм, по которой производят элект-
рохимическую металлизацию толщиной 30...40 мкм.
Модифицирование поверхности (получение конверсионных покры-
тий) протекает при химическом оксидировании, хроматировании, фо-
сфатировании, электрохимическом оксидировании (на аноде). Физи-
ко-химический механизм модифицирования сводится к переводу при-
поверхностного слоя металла в окислы, хроматы или фосфаты
с сохранением в переходной зоне металлических связей атомов моди-
фицированного слоя с кристаллической решеткой металла—основы.
Удаление слоя как физико-химический процесс представляет со-
бой химическое или электрохимическое (на аноде) растворение ме-
талла, химическое растворение органических или силикатных мате-
риалов в соответствующих сильных кислотах, растворение или
эмульгирование жировой пленки на поверхности изделий.
3.2. Понятия о процессах металлизации
в технологиях печатных плат
Наиболее сложное и комплексное использование технологических
процессов нанесения и удаления наблюдается в производстве печат-
ных плат.
Путем химической металлизации можно сразу получить «толстый»
(до 20 мкм) слой покрытия на предварительно подготовленном диэле-
ктрике. Но для химического наращивания такого слоя требуется боль-
шое время — несколько часов, поэтому целесообразно сочетать химиче-
ский и электрохимический способы осаждения. Например, вначале хи-
мически осадить электропроводную пленку толщиной 0,5...! мкм,
а затем нарастить ее гальванически до требуемой толщины.
Во всех реакциях, протекающих при химических и электрохими-
ческих процессах, важную роль играет катализ — каталитическое
участие в реакционных процессах среды (кислотно-основный ката-
лиз) и поверхности раздела фаз (гетерогенный катализ). Катализа-
тор участвует в образовании промежуточного неустойчивого ком-
плексного соединения, которое затем распадается и вновь выделяет
исходный катализатор вместе с конечным продуктом реакции. Такая
ступенчатая схема процесса приводит к значительному увеличению
скорости реакции.
Катализация среды приводит к восстановлению металла во всем
объеме раствора. Такой процесс приемлем для выделения металла из
растворов его солей. Но для металлизации поверхности такой про-
цесс не пригоден.
Для металлизации поверхностей используется гетерогенный ка-
тализ на поверхности раздела двух фаз. Поскольку восстановление
металла происходит на катализаторе, закрепленном на поверхности
подложки, очень важно обеспечить хорошее его сцепление с под-
ложкой. Для этого поверхность предварительно сенсибилизируют,
т.е. создают прочные связи сенсибилизаторов с поверхностью. Сен-
сибилизаторы — ионы металлов, имеющих особую способность
к сцеплению. В последующем процессе активации ионы катализато-
ра, замещая ионы сенсибилизатора, заимствуют их прочные связи
с подложкой. Эти прочные связи, в свою очередь, заимствуются
осажденным покрытием.
Суть сенсибилизации состоит в том, что поверхность подложки
имеет многочисленные субмикроскопические дефекты — вакансии,
оборванные химические связи и т. д. Молекулы сенсибилизатора за-
хватываются некомпенсированными химическими связями и удер-
живаются на поверхности.
На протекание химических и электрохимических технологичес-
ких процессов одновременно действует физико-химические и ма-
шинные факторы. К физико-химическим относят факторы, опреде-
ляемые составом раствора: его «выработкой», свойствами подложки,
защитной маски и т. д. К машинным факторам относят параметры
оборудования: способ перемешивания (щетки, струйная подача, ка-
чание штанг, перекачивание раствора с фильтрацией, ценообразова-
ние), расположение электродов, объем раствора, автоматическая ста-
билизация температуры, pH раствора и другие параметры технологи-
ческого режима.
3.3. Состояние поверхности
промежуточных слоев
При проведении химических и электрохимических процессов
особое внимание необходимо уделять ослаблению побочных, меша-
ющих процессов. Естественное окисление металлической поверхно-
сти с участием атмосферной влаги в интервале между операциями
может быть причиной появления дефектов при нанесении последу-
ющих слоев. Например, на свежеосажденной пленке меди толщина
окисного слоя (Cu2O + СиО) составляет всего 2 нм и это не препят-
ствует получению хорошей адгезии с последующей электрохимиче-
ски наращиваемой металлической пленкой. Но воздействие атмо-
сферной влаги и кислорода вызывает интенсивный рост окисного
слоя, как показано в табл. 3.1. И это уже сказывается на адгезии с по-
следующим слоем.
Fas+welC
Таблица 3.1. Рост окисных пленок на свежеосажденной меди.
Атмосферные условия, время Толщина окисного слоя, мкм
20*С, 65% влажности за 1 час 40°С, 65% влажности за 1 час 100X3, 65% влажности за 1 час 20°С, 98% влажности за 1 сутки 20*С, в агрессивной атмосфере 0,1 0,05 -0,01 0,3
гальванического цеха за 1 сутки 1,0
Поданным табл. 3.1 видно, что для уменьшения окисления све-
жеосажденных пленок подложки необходимо хранить и сушить при
100°С. При этом сушильный шкаф должен иметь вытяжку, чтобы из-
бежать образования в нем среды с повышенной влажностью при
сушке партии подложек.
3.4. Природа сенсибилизации
и активирования
3.4.1. Гетерогенные процессы
химической металлизации
При осаждении металлических пленок химическим путем из раство-
ра ионы металла восстанавливаются и осаждаются на подложке, ко-
торой приданы каталитические свойства. Химическое осаждение
связано с восстановлением (приобретением электронов) иона ме-
талла с одновременным окислением (потерей электронов) восста-
навливающего химического агента.
Необходимо исключать самопроизвольное восстановление метал-
ла в объеме раствора. Для этого подложка, а затем формируемая на ней
пленка должны оказывать каталитическое влияние на процесс восста-
новления, т.е. ограничивать зону реакции поверхностью подложки.
Катализаторы. В качестве катализаторов используют, как прави-
ло, металлы платиновой группы: золото, палладий (наиболее сильный
катализатор), серебро, платину и др. Если наносимый металл сам слу-
жит катализатором, то можно получить отложение любой толщины,
так как процесс приобретает автокаталитический характер. Такой эф-
фект автокатализа свойствен никелю (Ni), кобальту (Со), железу (Fe),
меди (Си), хрому (Сг), металлам платиновой группы.
Восстановитель. Эффективный восстановитель должен обладать
положительным стандартным потенциалом окисления и сохранять
свойства в приемлемом диапазоне кислотности.
Кроме восстановителя в раствор при химическом осаждении до-
бавляют комплексообразующие, смачивающие, стабилизирующие
и буферные вещества.
Придать поверхности каталитические свойства можно двумя пу-
тями: обработкой в соответствующих растворах с созданием центров
катализации на поверхности подложки или внедрением катализато-
ра в состав подложки при ее изготовлении.
Создание каталитических центров кристаллизации, сцепленных
с поверхностью в результате реакций, протекающих на границе фаз
подложка—раствор, называют активированием.
В процессах активирования чаще других используются три элемен-
та: олово (Sn), палладий (Pd), серебро (Ag). Напомним их свойства.
Олово может иметь степень окисления +2 и +4. Соединения
олова (IV) более устойчивы.
Из водного раствора солей Sn (IV) при pH 0...0,5 может быть вы-
делен осадок гидрата двуокиси Sn (IV) в виде SnO2H2O. Вода, вхо-
дящая в гидрат, является адсорбционной. Гидрат двуокиси олова
почти не растворим в воде. При термообработке и под действием ок-
ружающей атмосферы он постепенно переходит в SnO.
В восстановительных условиях SnO2 устойчива до 400°С, в нейт-
ральных и окислительных — до 1500°С.
Палладий является интенсивным поглотителем водорода (до 900
объемов). При нагревании до 700—800°С окисляется. Образующаяся
окисная пленка PdO черно-зеленого цвета, устойчива, но при нагре-
вании свыше 820°С разлагается, образуя смесь PdO + Pd, цвет при
этом переходит в сине-зеленый. При 850 870°С происходит полный
распад окисла до металла. PdO не окисляется в сильных кислотах
и в царской водке.
Из производных палладия [PdCl4]2- может быть восстановлен до
металла перекисью водорода, гидразинсульфатом, этиловым спир-
том, формиатом натрия, гипофосфитом натрия. Соли палладия, на-
пример красно-коричневый PdCl2- Н2О (дигидрат), желто-коричне-
вый Pd(NO3)2, легкорастворимы. В растворах они сильно гидроли-
зованы.
В растворе PdCl2 легко восстанавливается до металла:
PdCl2 + Н2О + СО = Pd + 2НС1 + СО2.
Серебро инертно, но сернистые соединения и свободные галогены
при комнатной температуре медленно соединяются с серебром. Поч-
ти все металлы осаждают металлическое серебро из растворов его со-
лей. Многими органическими соединениями азотнокислое серебро
(«ляпис» — AgNO3) легко восстанавливается до металла: бумагой,
глюкозой, винной и аскорбиновой кислотами, формальдегидом и т. д.
Ag2O разлагается при нагревании выше 160°С. Восстанавливает-
ся перекисью водорода при комнатной температуре по реакции:
Ag2O + Н2О2 — 2Ag + Н2О + О2.
3.4.2. Двухстадийный процесс активации
Различают двухстадийный и одностадийный процессы активирова-
ния. При двухстадийном активировании обработку ведут последова-
тельно в двух разных растворах: сенсибилизации и активации;
при одностадийном — в растворе сенсактивации (смешанные раство-
ры сенсибилизации и активации) или в растворе автоактивации.
Наличие развитого микрорельефа поверхности металлизации
способствует адгезии осаждаемого слоя.
Сенсибилизацию проводят при комнатной температуре в тече-
ние 3 мин в солянокислом растворе хлорида олова (SnCl2).
Перед погружением в сенсибилизирующий раствор изделия
должны быть хорошо обезжирены и высушены. Освобожденные от
адсорбированной влаги микропоры заполняются сенсибилизирую-
щим раствором. В этом состоит одно из важных условий получения
покрытия высокого качества.
После извлечения из сенсибилизирующей ванны изделия про-
мывают в воде 3 мин. При этом процесс сенсибилизации продолжа-
ется. В результате гидролиза
SnCl2 + Н2О -> Sn (ОН)] 5С10 5 + НС1
образуются продукты, которые активно связываются с поверхностью
благодаря функциональным группам в молекуле Sn(OH)j 5С1о 5. Эти
же молекулы становятся в дальнейшем восстановителями металли-
ческого палладия из аммиачного или солянокислого раствора хло-
ристого палладия при последующей активации.
Гидроокись олова плохо растворима. При промывании она
удаляется только благодаря механическому смывающему дейст-
вию струи воды. В глубине микропор продукты гидролиза оста-
ются, образуя молекулярные мостики, которые через гидроксиль-
ные группы связываются адсорбционными и химическими связя-
ми с полимерными или силикатными группами поверхности
подложки. Центры кристаллизации имеют начальные размеры
около 10 нм и расположены друг от друга примерно на таком же
расстоянии.
Технологические операции сенсибилизации, включая приготов-
ление растворов и обращение с обработанными подложками, следу-
ет проводить в затемненных условиях, при неярком желтом свете
(при неактиничном освещении). Это вызвано светочувствительнос-
тью гидроокиси олова, переходящей под действием света в SnO2
и теряющей каталитические свойства.
Сенсибилизацию заканчивают промыванием и сушкой. По-
сле сенсибилизации подложки должны сразу же поступать на ак-
тивацию.
Для сенсибилизации гидрофильных полимерных поверхностей
с развитым микрорельефом (например, платы с фрезерованным
рельефом) вместо раствора хлорного олова применяют пропитку
поверхности раствором гидразингидрата. Гидразингидрат
Na2H4-H2O является сильным восстановителем и требует тщатель-
ной отмывки поверхности перед последующей активацией. Его
молекулы должны остаться только в глубине микропор. Сенсиби-
лизирующий раствор гидразингидрата имеет в несколько раз более
длительный срок службы по сравнению с раствором хлорного оло-
ва, но пригоден для сенсибилизации только пористых гидрофиль-
ных поверхностей.
Гидразингидрат, будучи сильным восстановителем, является по-
жароопасной жидкостью, может самовоспламеняться в контакте
с веществами, имеющими развитую поверхность: порошки органи-
ческих материалов (древесная мука и др.), вата и т. д. Поэтому его
используют в виде 20%-ого водного раствора.
Активацию производят в течение 2 мин при комнатной темпера-
туре в солянокислом растворе двухвалентного палладия. PdCl2 слабо
растворим в воде, поэтому добавляют небольшое количество соля-
ной кислоты (НС1) для улучшения растворимости.
На поверхности подложки палладий восстанавливается ионами
олова:
Sn (ОН)2 + PdCl2 -* Pd | + SnO2 + 2HC1
или
Sn2+ + Pd2+ -> Sn4+ + Pd°.
Соединения четырехвалентного олова удаляются при последующей
промывке.
Пленка металлического палладия адсорбируется на поверхно-
сти на островках Sn(OH)2, которые после этого становятся высо-
коактивными центрами каталитических процессов при последую-
щем восстановлении осаждаемого основного металла. О сплош-
ной пленке палладия говорить не приходится, поскольку он
рассеивается по подложке отдельными вкраплениями. Именно
они (эти вкрапления) становятся центрами восстановления метал-
ла. Поскольку процесс осаждения для интересующих нас металлов
является автокаталитическим, металлизация вокруг каталитичес-
ких центров разрастается и смыкается, образуя сплошную пленку.
Процесс стабилизируют, автоматически поддерживая постоянны-
ми pH и состав раствора. Активация заканчивается промывкой
и сушкой.
Двухстадийный процесс активирования в производстве печат-
ных плат целесообразен только для нефольгированных диэлектри-
ков, используемых в аддитивных методах, и не пригоден для метал-
лизации плат из фольгированных материалов, так как на медной
фольге вследствие реакции контактного обмена выделяется метал-
лический палладий:
Pd2+ + Си -> Pd° + Си2+.
Естественно, в этой реакции с фольгой раствор быстро истоща-
ется, потери драгоценного металла увеличиваются и сцепление слоя
металлизации с медной фольгой ухудшается.
3.4.3. Совмещенный раствор активации
Для предотвращения осаждения палладия на поверхность фольги
получил применение так называемый совмещенный раствор актива-
ции или раствор прямого активирования, в состав которого входит
и хлористый палладий, и хлористое олово. Однако состав раствора
и методика его приготовления исключают выпадение в осадок пал-
ладия.
В таком растворе палладий находится в двух формах: в виде кол-
лоидных частиц металла и его комплексной соли (рис. 3.3). При по-
гружении в раствор сверленых заготовок печатных плат из фольги-
рованного материала видимого контактного осаждения палладия на
медь не происходит. Однако некоторые исследователи считают, что
в какой-то степени этот процесс имеет место, что приводит к обра-
зованию на меди разделительного слоя, легко удаляющегося при по-
следующей обработке.
В одностадийном процессе расход палладия при активировании
обусловлен в основном механическим уносом раствора заготовками
плат (1м2 поверхности заготовок с учетом обеих сторон выносит
0,15...0,2 литра раствора). На основе опыта большого числа отечест-
венных и зарубежных предприятий рекомендованы составы совме-
щенных растворов активирования, приведенные в табл. 3.2.
Таблица 3.2. Растворы для активирования
Компоненты и режимы Концентрация (г/л) в растворах
1 2 3
Палладий двухлористый 0.2...0.5 0.25...0.7 0,8... 1.0
Олово двухлористое 10...15 30...50 50...60
Кислота соляная, х.ч 20...25 300 .400 45.. 50
Натрий хлористый 180 200 - 170 175
Натрий сернокислый 65... 70 - -
Олово четыреххлористое - - 0,8 8 5
Температура раствора, 'С 18.30 30 30
Продолжительность, мин 7... 10 3
Удельные нормы расхода PdCl2, г/м2 0.12 0,15 0,2
Одностадийный процесс сенсактивации имеет особое значе-
ние при обработке подложек, имеющих на поверхности участки
медной фольги (печатные платы). Если используют двухстадий-
ный процесс, то на поверхности фольги оседает рыхлый слой ме-
таллического палладия. Однако ванны для одностадийного про-
цесса сенсактивирования трудны в обслуживании из-за неустой-
чивости растворов и склонности их к саморазложению.
Повышения устойчивости достигают добавлением комплексооб-
разователей. Это требует тщательного выполнения процесса рас-
творения компонентов в определенном сочетании в трех незави-
симых сосудах.
В качестве стабилизаторов совмещенного раствора предлагают-
ся: этиленгликоль — 0,7 г/л, хлориды (КС1, NaCl, LiCI), а также гид-
рохинон и гидроксиламин.
Раствор № 3 имеет преимущество при металлизации заготовок
плат из нефольгированного материала, на которых адсорбция про-
исходит на значительно большей поверхности. Высокая концентра-
ция хлоридов в растворах в виде НС1 или NaCl необходима для по-
вышения их стабильности.
Для приготовления растворов активирования навеску хлорис-
того палладия растворяют при температуре 50—60°С в небольшом
количестве воды, к которой добавлено 3—6 мл соляной кислоты
(плотностью 1,19 г/см3) на каждый литр приготовляемого раство-
ра, и затем раствор охлаждают, добавляя дистиллированную воду.
В отдельной порции также при нагреве до 40—45°С растворяют
двухлористое олово, добавляя соляную кислоту из расчета 20 мл на
литр приготовляемого раствора, и далее раствор тоже охлаждают,
добавив дистиллированную воду. Раствор хлористого олова мед-
ленно при перемешивании вливают в раствор хлористого палла-
дия. Полученную смесь выдерживают при температуре 100°С
в течение 10... 15 мин, затем
в полученный раствор вливают
оставшуюся кислоту и приго-
товленный в отдельной порции
раствор NaCl и —Na2SO4. Све-
жеприготовленные растворы
имеют темно-коричневый цвет,
Рис. 3.3. Комплексное соединение
палладия.
изменяющийся до янтарного по мере его эксплуатации. В услови-
ях серийного производства растворы анализируют по всем компо-
нентам не менее двух раз в неделю. При снижении концентрации
палладия добавляют концентрат, содержащий SnCl2 + PdCi2, а при
снижении содержания олова только SnCl2.
Периодический прогрев раствора способствует его стабилиза-
ции, и поэтому рекомендуется его прогревать при температуре
6О...9О°С в течение 20—30 мин после каждого корректирования и по
мере снижения каталитической активности. Потеря каталитической
активности при нормальной концентрации компонентов является
следствием агрегатирования частиц палладия и их коагуляции.
Для повышения устойчивости коллоидного состояния частиц пал-
ладия раствор прогревают при температуре 90...100 С в течение
10...15 мин.
При длительной эксплуатации раствора-активатора в нем про-
исходит накопление нежелательных примесей и, в первую очередь,
меди за счет растворения окислов с поверхности медной фольги со-
ляной кислотой, содержащейся в растворе:
CuO + 2НС1 -» СиС1 + Н2О.
Примесь двухвалентной меди приводит также к окислению
двухвалентного олова по реакции:
2Си2+ +Sn2+ -> 2Си+ + Sn4+.
Раствор меняет цвет и практически теряет активирующее дейст-
вие при концентрации меди 1,3... 1,4 г/л, адсорбционная способ-
ность активатора уменьшается.
Наиболее простым способом удаления меди является электро-
лиз с низкой катодной плотностью тока (0,01...0,05 А/дм2) при по-
тенциалах, не достигающих значений, при которых может выделять-
ся палладий или олово. Материалом катода может служить никели-
рованная пластинка, анодом — графит, заключенный во избежание
окисления Sn2+ в диафрагму.
Четырехвалентное олово постепенно накапливается и в результа-
те окисления воздухом, однако накопление его в растворе до 10 г/л
влияния на процесс не оказывает.
При больших количествах отмечается гидролиз четырехвалент-
ного олова по схеме:
SnCl4 + Н2О Sn(OH)Cl3 + НС1,
и раствор мутнеет. Дня перевода Sn4+ в Sn2+ рекомендуется в раствор
вводить гранулы или порошок чистого олова, восстанавливающего
Sn4+:
Sn4+ +Sn 2Sn2+.
После обработки заготовок плат в совмещенном растворе следу-
ет промывка в воде, в результате чего происходит гидролиз солей
олова и адсорбция на поверхности диэлектрика труднорастворимых
гидроокисных соединений олова Sn(OH)Cl вместе с солями палла-
дия и его коллоидными частицами.
Полное восстановление палладия и удаление солей олова име-
ет место при последующей обработке в растворе-«ускорителе» в те-
чение 2—5 мин и промывке в проточной воде. При этом происхо-
дит коагуляция частиц палладия и перевод гидроокисных соедине-
ний олова в растворимую форму станнита, если ускоритель
щелочной, или хлорида, если ускоритель кислотный. В качестве
растворов-«ускорителей» применяют растворы NaOH (20...25 г/л)
или НС1 (50...70 г/л). В некоторых случаях используют раствор, со-
держащий борфтористоводородную кислоту (HBF4) в количестве
50 мл/л.
Замену раствора ускорителя рекомендуется производить из рас-
чета обработки в 1 л раствора 2 м2 поверхности заготовок. Необходи-
мо учитывать, что кислые ускорители агрессивны и могут растворять
активные палладиевые частицы, поэтому важно контролировать
концентрацию раствора и время выдержки в ванне.
Промывочные операции имеют важное значение: если они не-
достаточны по времени, то не происходит гидролиза каталитичес-
кого комплекса (первая промывка), или же не будут удалены обво-
лакивающие частицы палладия соединения олова (вторая промыв-
ка). Увеличение продолжительности промывки приведет к смывке
реагирующих компонентов, и эффект активирования не будет до-
стигнут.
Таким образом, активирование при использовании совмещен-
ного раствора состоит из следующих операций:
• обработка в совмещенном растворе в течение 5... 10 мин;
• промывка в холодной воде (1...2 мин);
• обработка в растворе-«ускорителе» (1...2 мин);
• промывка в холодной воде (1...2 мин).
После активации поверхность сохраняет каталитические свойст-
ва только 1 ч.
Для активации помимо хлористого палладия применяют азотно-
кислое серебро (при осаждении меди).
Общим требованием сенсибилизации и активации является не-
прерывность процесса, недопустимость пауз между операциями.
3.4.4. Механизм процессов активации
из совмещенных растворов
Первая стадия — сорбция раствора поверхностью, подлежащей акти-
вации.
Вторая стадия — гидролиз. В результате взаимодействия с водой
происходит гидролиз комплексной соли с образованием труднорас-
творимого Sn(OH)Cl, который захватывает частицы PdCl2, выделя-
ющиеся при реакции:
PdSnCl + Н2О -> Sn(OH)Cl + PdCl2.
Таким образом, в пленке раствора на поверхности диэлектрика
создаются многочисленные желеобразные частицы, состоящие из
смеси Sn(OH)Cl и PdCl2.
Третья стадия — обработка в растворе «ускорителя». При этом
происходит разложение соли Sn(OH)Cl на Sn2+, С1_ и воду. Ионы
Sn2+ вступают в реакцию с ионами Pd2+, находящимися на поверх-
ности диэлектрика, и восстанавливают их до металлического состо-
яния, окисляясь при этом до Sn4+: Sn2+ + Pd2+ -» Pd° + Sn4+. Таким
образом, в поверхностном слое находятся мелкие частицы металли-
ческого палладия, окруженные более крупными частицами гидро-
окисных соединений четырехвалентного олова.
Четвертая стадия — промывка в проточной воде. Промывка про-
точной водой способствует смыванию частиц гидроокиси четырех-
валентного олова, и на поверхности остаются адсорбированные ча-
стицы металлического палладия в коллоидной форме. Промывоч-
ные операции в процессах активирования с помощью совмещенно-
го катализатора имеют особо важное значение. Если они недоста-
точны по времени, то не произойдет гидролиз каталитического
комплекса (первая промывка) или же не будет удален обволакиваю-
щий частицы металлического палладия слой гидроокиси четырех-
валентного олова (вторая промывка). Удлинение времени промыв-
ки приводит к смыву реагирующих компонентов, и эффект активи-
рования не достигается.
3.4.5. Улавливание палладия
В целях улавливания при промывочных операциях соединений пал-
ладия устанавливают не менее двух ванн-сборников с непроточной
водой, в которых заготовки плат промываются кратковременным
окунанием. Выполнение этой операции приводит к некоторому
снижению каталитической активности поверхности вследствие то-
го, что содержимое ванн-сборников приобретает кислую среду, и не-
обходимый для процесса гидролиз солей олова начинает тормозить-
ся. Содержание PdCl2 в первом сборнике должно быть не более
0,1 г/л, во втором — 0,03 г/л.
Использование растворов, содержащих 0,2...0,5 г/л хлористого
палладия, дает существенную экономию по сравнению с растворами
с концентрацией PdCl2 0,8...1,0 г/л, даже в случае отказа от сборни-
ков, обеспечивая необходимое качества металлизации. Следует от-
метить, что, несмотря на высокую стоимость хлористого палладия,
затраты на покрытие единицы поверхности весьма малы. Так, на по-
крытие 1 м2 плат расходуется 0,06 г палладия. Это следует иметь в ви-
ду при решении проблемы замены палладия как хорошего катализа-
тора на другие технические варианты.
3.4.5.1. Извлечение палладия из отработанных растворов.
Вариант 1
В отработанные растворы активирования и ванны-сборники погру-
жают цинковые стержни или пластины, добавив в ванны-сборники
соляную кислоту в количестве 140 г/л. В результате контактного об-
мена на поверхности цинка выделяется губчатый порошкообразный
осадок металлического палладия по реакции:
Zn + Pd2+ -* Pd° + Zn2+.
Осадок палладия механически удаляется и растворяется в соля-
ной кислоте, к которой добавлена перекись водорода. Полученный
раствор нагревают до разложения перекиси водорода, охлаждают
и анализируют. Раствор можно использовать для корректирования
ванн активирования или же после упаривания сухой остаток сдавать
в качестве возвратных отходов.
3.4.5.2. Извлечение палладия из отработанных растворов.
Вариант 2
К отработанному раствору добавляют раствор едкого натра до вели-
чины pH = 10,6 (0,1...0,2 г/л), выдерживают при перемешивании 3
часа и фильтруют. Осадок промывают водой на фильтре до величи-
ны pH промывной воды. Переносят осадок с фильтра в емкость и су-
шат при температуре 150...200°С в течение 1,5 часа. Осадок анализи-
руют и сдают как возвратный отход.
3.4.6. Автоактивация
Возможна одностадийная автоактивация с помощью серосодержа-
щих соединений металлов. Метод основан на использовании тиомо-
чевины, которой пропитывают поверхность подложки. При после-
дующей обработке подложки водным раствором соли металла, кото-
рая реагирует с серой (аммиакаты, хлориды, нитраты, ацетаты Си,
Ag, Со, РЬ, Sn, Cd и др.), образуется пленка комплексного нераство-
римого металлсодержащего соединения.
Вначале идет гидролиз тиомочевины в водном растворе.
Освобождающиеся ионы S2~ взаимодействуют с ионами метал-
ла, образуя каталитические центры совместно с гидроокисью ме-
талла.
При спонтанном зарождении в объеме раствора высокодис-
персной твердой фазы, суммарная поверхность и активность кото-
рой значительно превышают поверхность и активность подложки,
скорость коагуляции превышает скорость адсорбции первичных
частиц на поверхности. Большая часть ионов металла выпадает
в виде гидроокиси в объеме раствора, и основная часть вещества
нарастает не на подложке, а на этих частицах, образуя коллоидный
раствор.
3.4.7. Фотоактивирование
При необходимости получать слой металлизации непосредственно
в виде рисунка (по аддитивному принципу) используют чувстви-
тельность к облучению светом сенсибилизирующих или активирую-
щих растворов, смачивающих подложку.
Различают фотоактивацию и фотодеактивапию. При фотоакти-
вации в месте воздействия светового луча образуются каталитичес-
кие центры. Используют светочувствительные соли серебра, напри-
мер органических кислот (винной, глютаминовой). В месте падения
луча происходит фотодиссоциация светочувствительного материа-
ла, сопровождающаяся (после проявления) выделением металличе-
ского серебра, частицы которого служат каталитическими центрами
для последующей химической металлизации. Диаметр луча варьиру-
ется в пределах от 50 мкм до 5 мм. При мелкосерийном производст-
ве удобно использовать в качестве технологического оборудования
для вычерчивания световым лучом. После операции засвечивания
рисунок проявляют в гидрохиноновом проявителе, распространен-
ном в фотографической технике.
При фотодеактивации облучение разрушает каталитические
центры.
Экспонированные УФ светом (Я < 300 нм) участки теряют сен-
сибилизирующие свойства, и при последующей активации после
промывки на них не осаждается палладий.
Разрешающая способность метода составляет 1...10 мкм.
3.4.8. Сенсактиватор в лаке
Рассмотренные методы активирования поверхности имеют общий
недостаток — опасность латентной коррозии в подложках, имеющих
макропоры и капиллярные щели, в которых могут сохраняться соля-
ная кислота, хлориды олова и палладия даже после тщательной про-
мывки. Введение в состав подложки или в покровный лак каталити-
ческого агента позволяет этого избежать В органическое связую-
щее, входящее в стеклопластик, вводят ацетат палладия. Его
количество должно быть минимальным, чтобы не ухудшить элект-
рические свойства диэлектрика. Стеклопластик с введенным ката-
лизатором требует проведения предварительной операции травле-
ния поверхности подложки для удаления полимерной сетки
и вскрытия катализатора.
В состав покровного лака, наносимого на поверхность подлож-
ки, вводят каталитическую добавку в виде порошка окислов меди
или карбонильного никеля. При полимеризации лаковой пленки
частично восстанавливается металлическая медь, частицы которой
в дальнейшем служат каталитическими центрами.
3.5. Химическая металлизация
Процесс химической металлизации состоит из двух стадий: актива-
ции и химического восстановления меди на центрах активации.
Первая стадия -
активация
(катализация)
поверхности
палладием
Вторая стадия - химическая
металлизация на центрах катализации
Рис. 3.4. Схема процесса химической металлизации с автокатализацией (хи-
мическое меднение).
г..4 www.fastwel.ru
raSTWei тел.: (095) 234-06-39
На первой стадии создаются закрепленные на поверхности диэлект-
рика отдельные вкрапления палладия — катализатора первоначаль-
ного процесса химического восстановления металла. Поскольку
процессы химического меднения, никелирования, осаждения ко-
бальта, железа, хрома, металлов платиновой группы — автокаталити-
ческие, дальнейшее разрастание металла по поверхности диэлектри-
ка идет без участия палладия. Зоны осаждения смыкаются, за счет
чего образуется сплошная проводящая пленка из меди (рис. 3.4).
В процессах металлизации печатных плат только это и нужно — со-
здать проводящую пленку для последующего электрохимического
(гальванического) процесса.
3.5.1. Растворы химического меднения
Восстановительные реакции, протекающие при химическом мед-
нении:
Cu2+ + 40Н- + 2НСОН -* Cu° + 2НСОО + Н2 + 2Н2О.
Нежелательная побочная реакция, которая приводит к образова-
нию одновалентной окиси меди (вместо металлической меди), и вы-
зывает разложение раствора:
2Cu2+ + 5ОН- + НСНО -* Си2О + НСОСГ + ЗН2О.
Кроме того, возможно саморазложение формальдегида в щелоч-
ной среде.
Эти реакции предотвращаются с помощью комплексообразова-
теля, буфера и точным поддержанием требуемой концентрации,
температуры и pH раствора. Необходима постоянная фильтрация
раствора для очистки от коллоидных частиц.
Этим обусловливаются составы растворов для химического мед-
нения. В состав каждого раствора входят следующие вещества:
• соли меди;
• вещества для связывания меди в комплекс;
• вещество-восстановитель;
• вещество, обусловливающее необходимую величину pH рас-
твора;
• добавки стабилизаторов.
В производстве печатных плат наибольшее применение получи-
ли растворы, представленные в табл. 3.3.
Таблица 3.3. Составы растворов химического меднения и режимы
обработки
Компоненты и режимы Концентрация, г/л
1 2 3 4 5
Медь сернокислая СиЗОд, Н2О - источник ионов металла 10 15 10 15 15-25 5-8 25..35
Калий натрий виннокислый КНаСдНдОб. H2O - комплексообразователь 50...60 60..80 - -
Динатриевая соль тетрауксусной кислоты (трилон Б) - буфер 20...30 8..12 80...90
Натрия гидроокись NaOH 10 .15 13.. 15 20 .30 8.9 40. 60
Натрий углекислый 2-4 2...3 20...30
Никель хлористый - уплотнитель пленки 2...4 - -
Формалин (37%), мл/л, (НСНО) - восстановитель 10-15 10 ...20 10...15 10..20 20...30
Натрий серноватистокислый, мг/л, №28203 - буфер 1...2 - - 1.0
Натрия диэтилдитио карбамат, мг/л - стабилизатор - 20...30 20 .30 - -
Калий железосинеродистый, мг/л - стабилизатор 30...40 - 100
Ртуть азотнокислая, мг/л - 5,0
Роданин, мг/л 3-5
Метанол - смачиватель 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Величина pH 12,6... 12,8 12,8... 13,0 13,1... 13,3 12,8... 13,0 12,6... 12,8
Температура, ’С 18 .25 18 25 18..25 18.25 15-25
Продолжительность процесса до толщины 1 мкм, мин 20 .30 20...30 15...25 15 ДО 8...10 час')
Плотность загрузки, дм2/л 3...4 2...3 2...3 2.3 1...2
* До толщины 25. .30 мкм.
Раствор 1 является наиболее распространенным и экономичным
раствором. Скорость осаждения меди 2,5 мкм/ч. Толщина покрытия
до 1 мкм. В качестве стабилизатора можно вместо натрия серновати-
стокислого использовать сульфид свинца (0,05 г/л) или диэтилдити-
окарбомат натрия (5—10 мг/л).
Раствор 2. Комплексная соль меди с трилоном Б является более
устойчивым соединением, чем с сегнетовой солью (калием-натрием
виннокислым), поэтому раствор характеризуется высокой стабиль-
ностью, и в нем возможно осаждать за 20...30 мин слой меди толщи-
ной до 3 мкм.
Были попытки применения этого раствора без операции гальва-
нической «затяжки», так как слой химической меди достаточно про-
чен и обеспечивает выполнение последующих технологических опе-
раций.
Раствор 3. Виннокислую соль калия-натрия, приготавливаемую
из продуктов виноделия, можно заменить синтетическим изомером —
винограднокислым калием-натрием.
Раствор 4. Характеризуется высокой стабильностью, легкостью
корректировок и хорошим качеством медного покрытия. Раствор
успешно работает на ВАЗе (г. Тольятти) для декоративной металли-
зации деталей из пластмасс [9].
Раствор 5. Давно используется для металлизации печатных плат,
как более стабильный. Были попытки использования этого раствора
для получения толстых слоев меди (20...30 мкм) в условиях его не-
прерывного корректирования солями меди, едким натром и форма-
лином с помощью приборов автоматического дозирования. В целях
придания осадку необходимой пластичности в раствор вводят до-
бавки — пластификаторы.
Принципиальное различие в составах растворов, приведенных
в табл. 3.2, заключается в использовании различных стабилизаторов.
В качестве устойчивого стабилизатора хорошо зарекомендовала себя
комплексная добавка, которую можно использовать в различных по
концентрации основных компонентов растворах [9]. Состав добав-
ки: диэтилдитиокарбамат натрия (ДДКК) — 5 г/л, железосинеродис-
тый калий (K3Fe(CN)g) — 70 г/л, гидрат окиси аммония (NH4OH) —
102 мл/л. В растворы химического меднения добавка вводится в ко-
личестве 0,5 мл/л.
При приготовлении растворов химического меднения в от-
дельных емкостях растворяют в дистиллированной воде сернокис-
лую медь, комплексообразователь и едкий натр. Затем сливают
первые два раствора и при непрерывном перемешивании прили-
вают раствор едкого натра и раствор стабилизатора, раствор в ван-
не доводят до рабочего уровня, выдерживают 8... 10 ч, фильтруют
и корректируют по величине pH добавлением NaOH или H2SO4.
Формалин вводят за 10...20 мин до начала работы. Приготовлен-
ный раствор анализируют по всем компонентам. Анализ на содер-
жание формалина, едкого натра и меди сернокислой производят
ежедневно.
3.5.2. Природа дефектов
при химической металлизации
Дефекты при химической металлизации диэлектрических подложек
по происхождению можно сгруппировать в четыре группы: удержа-
ние агрессивных растворов, выделение водорода, повторение де-
фектов микрорельефа, нестабильность ванн.
Удержание агрессивных растворов после промывки воз-
можно при наличии на поверхности обрабатываемых изделий
микро- и макропор, трещин и т. п. Это приводит к латентной кор-
розии.
Выделение водорода интенсивно протекает при никелирова-
нии и меднении. Например, на 1 моль осажденной меди выделя-
ется 1 моль водорода. Это приводит к взрыхлению осадка. Задер-
живаясь в углублениях макрорельефа, пузырьки водорода препят-
ствуют сплошному осаждению металла на подложку. Благодаря
поверхностному натяжению на оболочке пузырька, представляю-
щей собой межфазную границу раствор — газ, сосредоточиваются
солевые осадки. Когда пузырьки лопаются, на этих микроучаст-
ках поверхности (щели, мелкие отверстия, поры) оседают плохо-
растворимые комплексные солевые включения. При эксплуата-
ции изделия в результате длительного воздействия атмосферной
влаги на участках образуется электролит, распространяющийся
по микроканалам эпоксидного стеклопластика вдоль границы
раздела стекловолокно—полимерное связующее, снижая сопротив-
ление изоляции.
Повторение дефектов микрорельефа поверхности отражает су-
щество самого принципа химической металлизации: точное повто-
рение всего микрорельефа, включая трещины, каверны и всякого
рода случайные непрочные образования на поверхности, возникшие
при травлении, сверлении и т. д. Губчатые наросты впитывают агрес-
сивные жидкости.
Возможные неполадки при химическом меднении и способы их
устранения приведены в табл. 3.4.
Таблица 3.4. Основные неполадки при химическом меднении [9]
Характер неполадок Причины Способы устранения
1 2 3
Медь не осаждается Избыток стабилизатора Заменить 30-50% раствора свежим, без добавок стабилизатора
Слишком низкое значение pH Добавить NaOH
Очень низкая температура Подогреть раствор
Недостаток формалина Увеличить содержание формалина
Непригодность раствора активирования Проверить активирующую способность
Отсутствие меди в отверстиях малого диаметра Раствор плохо прокачивается через отверстия Улучшить прокачку раствора
Отсутствие меди на отдельных участках отверстий Плохая смачиваемость рас- твором активирования Ввести антистатическую обработку Улучшить обезжиривание
Заполировка стенок отверстий при сверлении Проверить режимы сверления, заточить сверла
Раствор меднения мутнеет, в неработающей ванне выделяется водород Начинается саморазложение раствора Перемешать раствор сжатым воздухом, отфильтровать, добавить стабилизатор
Темная медь Низкое содержание NaOH Откорректировать раствор
Темная медь Попадание органических примесей Исключить возможность попадания масел
Разложение раствора меднения Раствор загрязнен механическими примесями Отфильтровать раствор
Занос палладия в ванну меднения Улучшить промывку после активирования
Осаждение меди на стенках ванн и в коммуникациях Удалить медь раствором HNO3
Перегрев раствора Охладить раствор сухим льдом в полиэтиленовых мешочках
Увеличена поверхность за- груженных заготовок плат Уменьшить загружаемую поверхность заготовок
Избыток щелочи Проверить величину pH и подкислить раствор
Таблица 3.4. Окончание
Малая скорость осаждения меди Низкая температура раствора меднения и активирования Подогреть растворы до 25. ЗО'С
Завышена концентрация стабилизатора Прекратить введение стабилизатора при корректировке
Недостаточная каталитиче- ская активность Проверить соблюдение режимов активирования
Недостаток формалина Увеличить количество вводимого формалина
При химической металлизации необходим особо высокий про-
фессиональный уровень работников, чтобы устранить этот источ-
ник дефектов.
К недостаткам химической металлизации, кроме перечисленных
причин дефектообразования, относится ограниченная номенклату-
ра осаждаемых металлов (Ni, Си, Sn, Au, Pd, Ag), трудоемкость хи-
мической подготовки поверхности, продолжительность процесса.
Преимущества химической металлизации:
1) равномерная толщина слоя при сложной конфигурации об-
рабатываемого изделия;
2) более плотный слой, чем при гальваническом осаждении;
3) возможность осаждать металл на изоляционные материалы.
3.5.3. Корректирование растворов [9]
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 кон-
це рабочего дня в количестве не более 1/2 от рецептурного значения.
Для предотвращения разложения раствора в период длительного
хранения (более 24 часов) необходимо подкислить его до величины
pH = 5...6 добавлением серной кислоты. При небольших перерывах
подкислять до pH = 12,2... 12,3.
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 хра-
нения трилонатные растворы следует подкислять серной кислотой
до pH = 10,0... 10,5. Для корректирования следует применять кон-
центрированные растворы CuSO4, NaOH. При длительном исполь-
зовании раствора меднения в нем накапливаются в больших количе-
ствах сульфаты натрия и формиаты натрия, в результате чего введе-
ние очередной порции компонентов затруднено. В этом случае рас-
твор не корректируется, а заменяется свежим.
3.5.4. Утилизация сегнетовой соли
Учитывая высокую стоимость калия-натрия виннокислого (сегнето-
вой соли), а также необходимость исключения сброса в стоки соеди-
нений меди при смене раствора меднения, поступают следующим об-
разом. В отработанном растворе химического меднения определяют
концентрацию CuSO4 и KNaC4H4O6, а затем добавляют CuSO4 до по-
лучения количества меди, эквивалентного содержанию KNaC4H4O4.
После этого раствор подкисляют серной кислотой до pH = 3,8...4,3,
в результате выпадает осадок виннокислого соединения меди:
О О
NaO — С — (CHO)Cu — С —ОК
Осадок декантируют, промывают холодной водой, собирают
и высушивают при комнатной температуре. Соединение виннокис-
лой меди используют при приготовлении свежих растворов химиче-
ского меднения. Приведенная методика позволяет полностью ути-
лизировать ценные продукты (медь и соли кислоты), возвращая их
в производство и обеспечивая этим безотходную технологию по ос-
новным продуктам процесса химического меднения, а также сниже-
ние затрат на обработку стоков, содержащих медь.
3.5.5. Утилизация меди
Для исключения попадания мели в промывные воды рекомендует-
ся после ванны химического меднения устанавливать для первой
промывки ванну с непроточной водой, которая служит сборником
раствора, выносимого подвесками с платами из ванны химическо-
го меднения. Эти ванны иногда называют ваннами-улавливателя-
ми. Постепенно в них накапливаются компоненты раствора хими-
ческого меднения и эффективность сборников снижается.
Переоборудовав ванну-сборник в электролизер, можно на като-
де из углеткани выделить практически всю медь, попадающую в ван-
ну-сборник, и подвески с платами при промывке в проточной воде
не будут вносить медь в стоки.
3.5.6. Практика химического меднения [9]
Химическое меднение отверстий в заготовках печатных плат являет-
ся ответственной операцией, определяющей качество металлизации
отверстий. Последовательность процессов химического меднения
печатных плат показана на схеме рис. 3.5. При выполнении всего
комплекса операций процесса металлизации следует руководство-
ваться следующими правилами.
1. Заготовки плат с просверленными отверстиями помещаются
в вертикальном или горизонтальном положении в кассеты, изготов-
ленные из титана, коррозионно-стойкой стали или из полимерных
материалов (полипропилена, фторопласта). При химическом мед-
нении и при выполнении предварительных операций необходимо
Схема химической металлизации
Cu++ + 4ОН++ + 2НСОН--
Си + 2НСОО+++Н2 + 2Н2О
Рис. 3.5. Схема процесса химичес-
кого меднения.
осуществлять возвратно-посту-
пательное движение кассет или
прокачивание при горизонталь-
ном положении для обеспече-
ния циркуляции растворов через
отверстия. Выбор способа рас-
положения заготовок плат зави-
сит от их габаритов, типа приме-
няемого оборудования, а также
от принятого технологического
процесса, определяющего усло-
вия выполнения операции галь-
ванической «затяжки».
2. После каждого цикла
операции меднения кассеты
следует обрабатывать в одном из
травильных растворов для уда-
ления осевшей на них меди, которая, отслаиваясь от подвесок, мо-
жет загрязнять растворы, вызывая их разложение.
3. Раствор ванны химического меднения должен хорошо пере-
мешиваться воздухом и непрерывно фильтроваться для удаления ме-
ханических загрязнений и частиц меди, образующихся в результате
восстановления на взвешенных механических примесях. Ванну не-
обходимо устанавливать в местах, где нет пыли.
4. Корректировать раствор добавлением химикатов следует тог-
да, когда ванна не загружена платами.
5. Следить за тем, чтобы в зимнее время ванны химического
меднения не охлаждались от стоящей рядом (а иногда и вплотную)
ванны холодной промывки.
6. Так как в промывной воде часто содержатся органическое
и неорганические примеси, загрязняющие раствор химического
меднения, необходимо, чтобы промывная вода полностью стекла
с плат.
7. Для толстослойного химического меднения (20...25 мкм) следу-
ет применять растворы более сложного состава, содержащие 3...4 вида
добавок. Этот процесс необходим в аддитивных способах изготовле-
ния печатных плат и осуществляется в условиях автоматического
корректирования раствора в соответствующих установках с лами-
нарным перемешиванием раствора.
Схема установки химического меднения, используемой в произ-
водстве печатных плат, показана на рис. 3.6.
Схема установки химической металлизации
Рис. 3.6. Схема установки химического меднения.
3.5.7. Другие способы металлизации
3.5.7.1. Меднение методом термолиза
Метод предусматривает термическое восстановление меди гипофос-
фитом кальция непосредственно на поверхности фольгированных
заготовок печатных плат, а так как при этом исключается активиро-
вание поверхности в растворах катализаторов, то метод получил на-
звание «беспалладиевая металлизация».
По этому методу заготовки плат из фольгированного диэлектри-
ка погружаются в раствор, содержащий аммиачную соль гипофос-
фита меди Cu(NH3)2(H2PO2)2 • 2Н2О, а затем — в термостат, где при
температуре 130...150°С в течение 15...20 мин происходит реакция
восстановления меди. В числе продуктов реакции кроме меди обра-
зуются различные вещества: Cu3P, Н3РО4, NH3. Медь осаждается на
стенках отверстий и на медной фольге в виде плотного покрытия
толщиной до 0,3 мкм.
Гипофосфит меди готовится посредством смешения растворов
медного купороса и гипосульфита кальция. Выпадающий осадок
гипса (CaSO4) отфильтровывается, а к раствору добавляется водный
аммиак до получения интенсивно синего окрашивания аммиачной
соли меди.
Получение этого продукта протекает по реакциям:
CuSO4 + Са(Н2РО2)2 = Cu(H2PO2)2 + CaSO4;
Cu(H2PO2)2 + 2NH4OH = Cu(NH3)2(H2PO2)2-2H2O.
При выполнении операции заполнения отверстий аммиачным
раствором меди требуется особо тщательная подготовка поверхнос-
ти и необходимо использовать вибрирующие устройства, обеспечи-
вающие полноту заполнения отверстий раствором.
Осадки меди в этом случае более крупнозернисты по сравнению
с медью, полученной традиционным способом, а слой меди вокруг
отверстий на острых кромках иногда необходимо механически зачи-
стить. Предприятия, внедрившие данный способ металлизации, от-
мечают некоторое увеличение трудоемкости изготовления плат,
а экономический эффект, если сопоставлять с технологией медне-
ния с использованием малоконцентрированного раствора активи-
рования и регенерацией раствора химического меднения, не дости-
гается. Представляется целесообразным рекомендовать данный ме-
тод в мелкосерийном и опытном производстве, когда есть возмож-
ность внимательно просматривать все отверстия в плате и в случае
острой необходимости замены драгоценного металла.
3.5.7.2. Химическое меднение в гипофосфитных растворах
По некоторым данным [10], встречаются сообщения о примене-
нии гипофосфитных растворов для осаждения меди. Преимущество
этого способа заключается в применении менее щелочных раство-
ров и в том, что процесс протекает без вредного газовыделения,
свойственного процессу термолиза гипофосфита. Кроме того, обра-
зующийся слой меди получается более плотным. Восстановление
меди протекает по реакции:
Си2+ + 2Н2РО2~ + 2ОН- - Си0 + 2Н2РО3~ + Н2.
В состав раствора входит медь сернокислая, сернокислый ни-
кель. натрий лимоннокислый, борная кислота и гипофосфит натрия.
Медь находится в виде цитратного аниона Си(С6Н5О7)_. Величина
pH = 9,2. Осаждение меди происходит при температуре 65°С.
3.5.8. Химическая металлизация порошков
Помимо рассмотренных выше процессов металлизации плоских
подложек или объемных изделий из керамики, кварца, стекла, си-
талла и пластмассы, значительное место занимает химическая ме-
таллизация частиц стеклоэмалевой фритты, применяемой при изго-
товлении микроузлов на основе композитных стеклоэмалевых пле-
нок. Металлизация частиц порошка имеет некоторую специфику,
в первую очередь необходимость осаждения не металла, а сплава ме-
таллов, причем на каждую частицу, средний диаметр которых со-
ставляет 2 мкм.
Технология осаждения на порошок фритты сводится к следую-
щему. Приготовленный механическим помолом порошок стеклян-
ной фритты подвергают сенсактивированию в смешанном растворе
хлоридов олова и палладия. Затем порошок в виде влажной пасты
поступает в полость реактора одновременно с раствором восстано-
вителя (гидразингидрата), где происходит металлизация при посто-
янном перемешивании.
При последующем вжигании (сублимации связки) рыхлая обо-
лочка из сплава, окружающая каждую частицу фритты, пропитыва-
ется расплавленным стеклом основы, не препятствуя образованию
стеклоэмалевой матрицы и непрерывных разветвленных цепочек из
неплавкого наполнителя.
3.5.9. Способы нанесения растворов на подложки
Возможны три способа проведения процесса — погружением подло-
жек в раствор, накаткой раствора и распылением раствора на обра-
батываемую поверхность. При способе погружения необходимо не-
прерывно обновлять раствор для компенсации расходуемых ве-
ществ. Это позволяет получать более стабильный уровень качества,
чем при периодической корректировке, когда качество меняется
скачкообразно. Держатели обрабатываемых изделий должны быть
сделаны из нейтрального материала (например, неактивированного
фторопласта) для ослабления побочного процесса осаждения на них
слоя металла. Необходимость непрерывного обновления раствора
усложняет это оборудование.
Накатка осуществляется с помощью валиков, прижатых к обра-
батываемой поверхности и вращающихся навстречу ее движению.
Скорость протягивания составляет до 100 м/мин. Раствор наносят
в виде смачивающего слоя в количестве, необходимом для протека-
ния реакции. В результате исключается возврат отработанного рас-
твора для повторного использования - нанесенный раствор расхо-
дуется полностью. Это позволяет подавать на обрабатываемую по-
верхность все время свежие дозы раствора. Смоченная раствором
поверхность поступает в следующую секцию установки, где под дей-
ствием тепла развивается необходимая реакция образования под-
слоя (2...10 с). Затем подложка проходит сквозь отжимные валики,
удаляющие отработанный раствор, и далее на холодную и горячую
мойку.
При распылении два раствора (соли металла и восстановитель)
подают из форсунок под давлением около 1 атм. Для устранения об-
разующегося шлама необходима фильтрация раствора. Распыление
рентабельно при больших обрабатываемых поверхностях.
3.5.10. Химическое никелирование
Наиболее дешевыми и дающими прочные покрытия на изоляцион-
ных материалах (пластмассе, керамике, ситалле) являются никель
и медь. В ряде случаев следует отдать предпочтение никелю перед
медью, так как его осаждение протекает устойчивее и более управля-
емо. Важна стабильность раствора, т. е. возможность длительного
использования с несложным контролем и корректированием, иначе
нельзя получить повторяющихся результатов и процесс будет непри-
годен для серийного производства.
Сцепление покрытия никеля с поверхностью характеризуется
усилием отрыва около 50... 100 г/см2. При металлизации теплостой-
ких подложек последующая термическая обработка значительно по-
вышает сцепление.
Различают осаждение никеля гипофосфитом и аминобораном.
В обоих случаях растворы химического никелирования содержат
пять составляющих:
1) источник ионов металла — соль никеля;
2) комплексообразователь и буфер — соли органических кислот
(уксусной, лимонной);
3) восстановитель — гипофосфит натрия, аминоборан и др.;
4) стабилизатор, устраняющий реакцию восстановления в тол-
ще раствора;
5) смачиватель, улучшающий смачивание обрабатываемой по-
верхности, — ПАВ.
Входящие в состав ванны химической металлизации комплексо-
образователь и буфер в виде солей органических кислот ускоряют
реакцию восстановления и предотвращают распад в объеме, связы-
вая ионы металла в комплексное соединение. При осаждении гипо-
фосфитом это предупреждает выпадение фосфита металла. Ускоря-
ющее действие органических добавок объясняется их способностью
поддерживать pH в стабильных пределах, что приводит к ускорению
процесса разложения гипофосфита и повышению роли выделяю-
щихся реакционноспособных атомов водорода.
FasiwelC>
Осаждение гипофосфитом натрия производят при точном под-
держании значения pH. При использовании гипофосфита в состав
покрытия кроме металлического никеля входит фосфор. Его при-
сутствие снижает электропроводность.
Химическое никелирование гипофосфитом ведут в пять техно-
логических этапов:
1) сенсибилизация в растворе SnCl2 с последующей тщательной
отмывкой (26°С, 1 мин);
2) активация в растворе PdC12 (pH = 2, Т = 26°С, время обработ-
ки — 30 с);
3) пропитка поверхности в растворе NaH2PO3 для перевода
PdCl2 в нерастворимую форму, придающую поверхности каталити-
ческие свойства по отношению к восстанавливаемому никелю;
4) собственно химическое никелирование в растворе, содержа-
щем NiCl2; процесс ведут при 80°С, pH = 8, время обработки 1 мин;
5) термообработка 2 ч при 200°С.
Главным технологическим недостатком процесса химического
никелирования является склонность раствора к саморазложению
из-за присутствия восстановителя и наличия центров паразитной
кристаллизации в толще раствора в виде взвешенных коллоидных
частиц металла или локализованных очагов перегрева. Саморазло-
жение интенсивно развивается и в случае быстрого приливания ще-
лочи (кислоты) для поддержании pH. При этом из-за нарушения
стабильности раствора выпадает гидроокись или фосфат никеля, ча-
стицы которых становятся центрами разложения в объеме.
Поэтому следует стремиться к уменьшению концентрации вос-
становителя или применять в качестве восстановителя аминоборан,
дающий более устойчивое осаждение никеля.
Осаждение аминобораном R2NHBH3, растворенным в этаноле,
протекает в результате восстановительных реакций:
R2NHBH3 + NiCl2 + ЗН2О -* 3Ni + R2NH2C1 + Н3ВО3 + 5НС1;
2R2NHBH3+4NiCl2+3H20 -* Ni2B + 2Ni + 2R2NH2C1 + ... +
+ 1,5H2 + 5HC1.
Существует опасность разложения аминоборана под воздейст-
вием выделяющейся кислоты:
R2NBH3 + ЗН2О + НС1 -* R2NH2C1 + Н2ВО3 + зн2.
Разложение можно предотвратить с помощью буферных ве-
ществ.
Скорость роста пленки никеля составляет примерно 0,1 мкм/мин
при 53±ГС, pH = 5...6 и при объеме ванны из расчета не более 1 дм2
поверхности на 1 л ванны.
3.6. Прямая металлизация
Более 40 лет в процессах сквозной металлизации отверстий исполь-
зовался палладий в качестве катализатора для химического медне-
ния, но за последние 12 лет зарубежье перешло к процессам прямой
металлизации, в которых палладий используется для создания про-
водящего подслоя, не нуждающегося в последующем химическом
осаждении меди.
3.6.1. История вопроса
Прямая металлизация — по существу, итог борьбы между двумя тех-
нологиями металлизации: электрохимической и химической, в ко-
торой последняя проиграла. Многие помнят, сколько соблазнов су-
лили аддитивные процессы производства печатных плат на основе
толстослойной химической металлизации. Наблюдались отдельные
успехи на этом направлении. Наиболее далеко в этом продвинулась
фирма Photocircuits, создав промышленную технологию массового
производства плат для управляемых снарядов. Но многочисленные
попытки дальнейшего распространения этой технологии, в том
числе в России (СССР), относящиеся к 70-м годам прошлого столе-
тия, не увенчались успехом. Оно и понятно, процесс химической
металлизации до нужных толщин (25 мкм) длится часами (скорость
осаждения — 1...2 мкм в час). В течение всего этого времени нужно
поддерживать работоспособность раствора по пяти параметрам
(pH, концентрация меди и восстановителя, редокс-потенциал, тем-
пература), недопустимы даже малейшие градиенты концентраций
и температур в объеме ванны. Для компенсации длительности про-
цесса осаждения объем ванн составлял кубометры, чтобы размес-
Fas+wel?^
тить в них необходимое количество плат, соответствующее суточно-
му объему производства. В отличие от этого электрохимическая
(гальваническая) металлизация идет с большей скоростью: порядка
30 мкм/ч (при плотности тока 2.5...3 А/дм2).
Чтобы в какой-то мере использовать состоявшиеся наработки,
были предложены процессы «среднетолщинной» химической метал-
лизации (порядка 3 мкм), якобы избавляющие производителей от
необходимости последующей гальванической затяжки. Почему «яко-
бы»? Потому что химически восстановленная медь — рыхлый осадок,
не способный противостоять быстрому окислению. И это создает
множество проблем на последующих операциях обработки плат.
До недавнего времени в производстве надолго удержалась толь-
ко всем известная тонкослойная химическая металлизация в сочета-
нии с гальванической затяжкой. Под нее строились технологические
линии, создавались химические системы, накопилась значительная
база знаний. И пока она устойчиво идет в производстве, рано от нее
отказываться, по крайней мере в производстве двухсторонних пе-
чатных плат.
3.6.2. Сравнение химической
и прямой металлизации
В разделе 3.5 уже было сказано, что процесс химической металлиза-
ции состоит из двух стадий: активации и химического восстановле-
ния меди на центрах активации. На первой стадии создаются за-
крепленные на поверхности диэлектрика отдельные вкрапления
палладия — катализатора первоначального процесса химического
восстановления металла. На второй идет восстановление меди на
центрах катализации (палладиевых частицах) и дальнейшее разрас-
тание металла по поверхности диэлектрика без участия палладия.
Идея прямой металлизации состоит в том, что уже на первой ста-
дии палладий был бы настолько диспергирован по поверхности, что,
будучи электропроводным, образовывал бы сплошную проводящую
пленку из палладия без последующей стадии химического восстанов-
ления меди. И это первое преимущество прямой металлизации.
Второе преимущество состоит в отсутствии необходимости
гальванической затяжки, свойственной процессу химической ме-
таллизации. Гальваническая затяжка затрудняет аппаратную реа-
лизацию нерерывности процесса в линии химического меднения:
после операций химического меднения приходится перезагружать
платы на катодные подвески или изначально вести весь процесс на
катодных подвесках, в которых нет необходимости на химических
операциях.
Третье преимущество прямой металлизации проявляется в обра-
ботке отверстий малого диаметра. При химической металлизации
кроме осаждения меди неизбежно выделяется водород:
Cu2+ + 2НСНО + 4ОН- -* Си + О + 2НСОО- + 2 Н2О + Н2-.
Выделяющийся водород закупоривает отверстия, мешая заверше-
нию процесса. Для дегазации отверстий приходится предпринимать
специальные меры: наложение ультразвука, вибрацию подвесок, при-
нудительное прокачивание отверстий рабочими растворами, чем не
всегда удается достичь нужного результата. В прямой металлизации
этот вредный процесс выделения водорода отсутствует.
Наличие формалина и большого количества щелочи делает рас-
твор химической металлизации вязким, с большим поверхностным
натяжением, что затрудняет его обмен на стенках отверстий. Из-за
этого реакция восстановления металла в узких отверстиях замедля-
ется, неравномерность осаждения сказывается на качестве и устой-
чивости процесса. Укрывистость поверхности при химической ме-
таллизации достигается увеличением продолжительности процесса,
а значит, и увеличением толщины покрытия. Учитывая относитель-
ную рыхлость химических осадков, это всегда плохо, особенно для
многослойных печатных плат. Растворы прямой металлизации име-
ют меньшую вязкость и поверхностное натяжение. И хотя приемы
агитации процессов прямой металлизации используются в той же
мере, как и для химической металлизации, прямая металлизация
проходит устойчивее химической. И это четвертое преимущество
прямой металлизации.
Поскольку химическое меднение — процесс автокаталитичес-
кий, неизбежно металлизируются и вся поверхность фольги наруж-
ного слоя, и торцы контактных площадок внутренних слоев. Это
приводит к нежелательному расходу реагентов, а для многослойны^
плат — к наличию непрочного барьерного слоя между металлизаци-
Рис. 3.7. Барьерный слой на стыке
торца контактной площадки внут-
реннего слоя МПП и металлизации
отверстия.
ей отверстий и торцами внут-
ренних слоев (рис. 3.7). Большая
часть отказов межсоединений
в МПП сосредоточена именно
здесь. Процессы прямой метал-
лизации организованы так, что
проводящая пленка создается
только там, где нужно, — на диэ-
лектрике. Это пятое их преиму-
щество.
Процессы прямой металли-
зации более устойчивы в произ-
водстве при неизбежных коле-
баниях режимов (как теперь выражаются, «имеют широкие окна»).
И это не последнее их преимущество.
Переход от химической к прямой металлизации не обязательно
связан с приобретением новой линии. Поскольку процесс прямой
металлизации имеет меньшую стадийность, линии химической ме-
таллизации с избытком достаточны для этого процесса. Необходимо
только иметь в виду, что для реализации преимуществ прямой метал-
лизации требуется более тщательная очистка отверстий с созданием
развитой поверхности.
3.6.3. Процессы очистки отверстий
Перманганатная очистка имеет ряд неоспоримых преимуществ
в очистке отверстий от наноса смолы на торцы контактных площа-
док внутренних слоев МПП после сверления. Многие производите-
ли печатных плат используют этот процесс даже в технологии двух-
сторонних печатных плат, полагая, что последующая металлизация
отверстий идет лучше после перманганатной очистки.
Гидроабразивная очистка неприменима для отверстий с диамет-
ром меньше 6...8 суммарных размеров частиц абразива. Если в гид-
ропульпе присутствуют частицы с поперечником 50 мкм, отверстия
с диаметром меньше 0,3...0,4 мм будут закупорены и не обработаны.
Что касается плазмохимической обработки, то она имеет наре-
кания на неравномерность распределения высокочастотного поля,
наличие пепла в отверстиях, остаточные электростатические заря-
ды. Вместе с тем в плазмохимической обработке используются газы:
фреон, кислород, азот. Они требуют организации газобаллонного
хозяйства и регулярной поставки газов.
Очистке в хромовой кислоте хорошо поддаются полиимидные
и полиимид-акриловые системы. Но трудносмываемые остатки ио-
нов Сг+6 «отравляют» последующие процессы активации. Это и про-
блемы с промывными водами не дают возможности широко исполь-
зовать очистку в хромовой кислоте.
Перманганатная очистка широко распространена. Ей поддаются
практически все используемые материалы, такие как FR-4, FR-5,
полиэфиры (в частности, полиэтилентерефталат — лавсан), полите-
трафторэтилен (фторопласт-4), все виды акрилатов, полифениле-
ноксиды. Современные технологические линии рассчитаны именно
на этот вид очистки: ванны выполнены из некорродирующих нагре-
востойких материалов.
Таблица 3.5. Сравнение химической и прямой металлизации
Параметр Химическая металлизация Прямая металлизация
Стадийность процесса Активация + химическая металлизация Активация
Плотность осадка Рыхлый Плотный
Наличие барьерного слоя между гальванической металлизацией отверстия и торцами контактных площадок на внутренних слоях Есть Нет
Необходимость гальванической затяжки Есть Нет
Выделение водорода Есть Нет
Управление процессом По пяти параметрам По двум параметрам
Вязкость раствора Вязкий Менее вязкий
Поверхностное натяжение 54 дин/см 40 дин/см
3.6.4. Системы прямой металлизации
Палладиевая система прямой металлизации родилась из процесса
активации поверхности диэлектрика для химической металлизации.
FastwelC^?'’
Основная идея использования палладиевых систем была сформули-
рована в патенте Радовского (Radovsky) в 1963 году, по которому был
заявлен метод, использующий пленку палладия в полуколлоидаль-
ной форме для прямой металлизации сквозных отверстий печатных
плат. Изобретение Радовского не нашло тогда применения. Идея ис-
пользования графит/углеродных систем относятся к еще большей
давности применительно к гальванопластике.
Имеются четыре широкие категории прямой металлизации:
1. коллоидная система, содержащая палладий;
2. углеродная или графитовая система;
3. процесс, основанный на осаждении токопроводящих поли-
меров;
4. другие методы.
3.6.5. Палладиевые системы
3.6.5.1. Палладий-олово активатор
с гальванической затяжкой
ЕЕ-1 — первая нашедшая промышленное применение система прямой
металлизации, была заявлена в 1982 году фирмой Photocircuits. В ней
использовался палладий-олово активатор с последующей гальваниче-
ской затяжкой. Ванна затяжки содержала полиоксиэтилен для предот-
вращения осаждения меди на поверхность фольги, не мешающего
осаждению палладия на непроводящие поверхности. Осаждение начи-
налось от медной фольги и эпитаксиально росло по активированной
поверхности отверстия. Покрытие завершалось за 5...6 мин. Эта затяж-
ка предшествует общему гальваническому осаждению меди до полной
толщины. Последующее микротравление удаляет набросы палладия
и устраняет гвоздевой эффект на торцах внутренних слоев. Использу-
ется специальный очиститель и восстановитель.
3.6.5.2. Палладиевый/оловянный активатор
с блескообразователем.
Используется палладиевый/оловянный активатор с последующим
блескообразователем. Ванна для блескообразования содержит по-
лиоксиэтиленовое соединение для замедления осаждения меди на
поверхности фольги, при этом замедление осаждения палладия на
непроводящих поверхностях не происходит. Покрытие нарастает на
активированной поверхности отверстий. Процесс занимает от 5 до
6 мин. Впоследствии блеск достигается в полном объеме как при
комбинированном позитивном методе, так и при тентинг-процессе
в любой гальванической ванне. Микротравление в комбинации
с ускорителем удаляет палладий с поверхности торцов внутренних
слоев. Используется специальный очиститель-кондиционер.
3.6.5.3. Оловянно-палладиевый активатор с ванилином
Эта система прямой металлизации была изобретена в Японии в кон-
це 80-х гг. Этот метод использует оловянно-палладиевый активатор
с ванилином, с последующим гальванопокрытием тентинг-методом
или комбинированным позитивным способом. Задействуется спе-
циальный очиститель-кондиционер и карбонатный ускоритель. Все
три ключевых раствора (очиститель-кондиционер, активатор и ус-
коритель) действуют при повышенных температурах. На завершаю-
щей стадии в отверстиях получается прочная сероватая проводящая
палладиевая пленка. Известно, что очиститель-кондиционер час-
тично разбавляет активатор, притягивая его к непроводящей по-
верхности. Ванилин выстраивает в цепочку молекулы палладия,
ориентируя их вдоль поверхности, за счет чего уменьшается элект-
рическое сопротивление и улучшается адгезия. Небольшая часть
палладия и олова остается на медной фольге, для избавления от это-
го производят слабое подтравливание.
3.6.5.4. Перевод палладия в сульфид
Crimson-процесс фирмы Shipley использует перевод палладия
в сульфид палладия, который должен обладать лучшей проводимос-
тью для последующего гальванического нанесения меди. Усиливаю-
щий агент стабилизирует проводящую пленку для того, чтобы она
была химически стойкой при последующих операциях фотолитогра-
фии. Стабилизатор нейтрализует остатки усиливающего агента, пре-
дотвращая загрязнение растворов на последующих стадиях обработ-
ки. При селективном микротравлении активатор удаляется с медных
поверхностей, чем достигается прочная связь и эпитаксиальный
рост металлизации отверстий от торцов контактных площадок внут-
ренних слоев.
3.6.5.5. Варьирование палладиевых процессов
Технология АВС предложена в Израиле, она сходна с процессом ЕЕ-]
(см. выше).
Технология Conduction из LeaRonal сходна с системой прямой ме-
таллизации, но с добавлением стадии очистителя-кондиционера
и травления стеклотекстолита.
Технология Envision из Enthone-OMI и технология Connect из Atotech
довольно сходны, хотя в обеих технологиях используются специфич-
ный очиститель-кондиционер и модифицированный ускоритель.
В технологии Neopact из Atotech используется палладиевый акти-
ватор в коллоидном состоянии, не содержащий олова. Последую-
щий процесс POSTDIP удаляет защитную полимерную пленку
с палладиевой поверхности, освобождая ее для контакта с раствора-
ми. При этом повышается проводимость.
Прямая металлизация System-S от J-KEM International относится
к широкой категории палладиевых процессов. Она имеет ряд преиму-
ществ, отличающих ее от других конкурентных альтернатив. Одним
из главных преимуществ является использование трехметаллического
соединения вместо типичной оловянно-палладиевой суспензии при
активации — ключевой стадии обработки. Третьим металлом к палла-
дию и олову выбран амфотерный металл из III или IV группы, такой
как Al, Ti, Ga, In и/или Т1. В щелочном растворе постактиватора или
интенсификатора (J-KEM) эти металлы способны образовывать со-
единения типа [Me(OH)J, которые соединяются с Pd, или Sn, или Си,
значительно повышая проводимость в отверстиях.
3.6.6. Системы на основе графита
3.6.6.1. Углеродные суспензии
«Black Hole» — вторая по значимости технология прямой металлиза-
ции — была запатентована доктором Carl Minten в 1988 году и испы-
тываласьОНп Hunt, который продал их технологию MacDermid в 1991
году. MacDermid значительно усовершенствовал процесс и назвал его
«Black Hole II». Вместо палладиевого активатора используются угле-
родные суспензии со средней проводимостью. Специальный раствор
смачивает непроводящие поверхности и абсорбирует углеродные час-
тицы. После нагревания углеродные частицы выстраивается в цепь.
Для повышения проводимости обработка в углеродных суспензиях
выполняется по крайней мере дважды. Остатки углерода должны
быть удалены с поверхности медной фольги на стадии микроочистки.
3.6.6.2. Графит
Используются суспензии графита, обладающего средней проводи-
мостью. Последовательность процесса очень проста и включает в се-
бя немного стадий. Electrochemicals и Eidschun Engineering сделали
этот процесс дешевым и компактным.
3.6.7. Системы проводящих полимеров
DMS-E — это второе поколение процесса DMS-2 от Blasberg. DMS-1
был похож на ЕЕ-1. После микротравления и кондиционирования
в растворе перманганата калия в отверстиях образуется покрытие из
диоксида марганца, который действует как окислитель в течение по-
следующей реакции синтеза. В каталитической стадии мономер EDT
(этилендиокситиофен) смачивает поверхности диоксидом марганца.
В стадии фиксации серной кислоты происходит самопроизвольная
окислительная поляризация. На непроводящих поверхностях печат-
ной платы образуется черная проводящая пленка полимера EDT.
Процесс Compact СР был предложен фирмой Atotech в 1987 году.
По существу, данный метод схож с DMS-E. Но в нем комбинируют-
ся стадии фиксации и катализа, используется кислый перманганат,
а проводящая пленка состоит из полипиррола
3.6.8. Другие способы
Для полноты списка нужно упомянуть другие возможные варианты
металлизации отверстий печатных плат, такие как Phoenix и ЕВР из
MacDermid, Schlotoposit из Schlotter. В этих технологиях применя-
ются проводящая краска, лазерная возгонка металла в сочетании со
сверлением отверстий, вакуумное напыление и магнетронная ме-
таллизация. Но они не относятся к теме данной книги.
3.6.9. Технология прямой металлизации J-Kem
Полное представление о процессе прямой металлизации можно по-
лучить на примере использования технологии System-S фирмы
J-Kem International. Это новые разработки шведских и итальянских
химиков, получающие широкое распространение в Европе, в пер-
вую очередь в Скандинавских странах. В обозначениях растворов
использованы фирменные названия J-Kem.
3.6.9.1. Подготовка отверстий под металлизацию
Обработка в растворе разрыхления
Состав раствора:
1) деионизованная вода 2) Swell 7100А 3) Swell 7100А Режим обработки: 600 мл/л; 200 мл/л; 200 мл/л.
1) рабочая температура раствора 77...82°С. Оптимальная — 77’С.
2) время обработки в растворе 5... 10 мин.
Промыть заготовки в ванне с водой 4О...5О°С в течение 1 мин.
Промыть заготовки в холодной проточной воде в течение 2 мин.
Подтравливание диэлектрика
Состав раствора зависит от степени требуемой обработки:
Компонент Очистка Подтравливание
Деионизованная вода Desmear 71 10В Desmear 71 10А Desmear 71 ЮС До 1 л 750 до литра 150 мл/л 150 мл/л 60 г/л 70 ..80 г/л 6,5 г/л 6,5 г/л
Режим обработки:
Режимы Очистка Подтравливание
Рабочая температура раствора Время обработки в растворе 66...74°С 79. .88°С 10...20 мин 15...30 мин
FastwelcS^ www.fastwel.ru тел.: (095) 234-06-39
Обработать заготовки в растворе предварительной нейтрализации
(5%H2SO4 + 5%Н2О2) в течение 0,5 мин. Температура раствора 18...25°С.
Обработка в растворе нейтрализации
Состав раствора:
1) дистиллированная вода 2) серная кислота, 96% 3) перекись водорода 4) Neutraliser 7120 Режим обработки: 800 мл/л; 100 мл/л; 50 мл/л; 50 мл/л.
1) рабочая температура раствора 2) время обработки в растворе 20...25°С. Оптимальная — 22°С. 1...3 мин.
Промыть заготовки в холодной проточной воде в течение 4 мин.
3.6.9.2. Прямая металлизация
Очистка поверхностей
Состав раствора:
1) деминерализованная вода 970 мл/л
2) cleaner/Conditioner DS-270 (очиститель/кондиционер) 30 мл/л.
Режим обработки:
1) рабочая температура раствора 70°С;
2) время обработки в растворе 7 мин.
Примечание. 1 литр готового раствора обрабатывает 5 м2 поверх-
ности.
Промыть заготовки в ванне с холодной водой в течение 30 с.
Промыть заготовки в холодной проточной воде в течение 2 мин.
Обработка в растворе предактиватора
Состав раствора:
Предактиватор Predip DS-400 — готовый раствор.
Режим обработки:
1) рабочая температура раствора 2О...25°С;
2) время обработки в растворе 0,5...1 мин.
Каждые 10 л свежего раствора предактиватора Predip DS-400 до-
статочны для обработки 50 м2 поверхности.
Обработка в растворе активатора.
Состав раствора:
1) предактиватор Predip DS-400 950 мл/л;
2) активатор Activator DS-500
Режим обработки:
1) Рабочая температура раствора
2) Время обработки в растворе
50 мл/л.
42°С. Не выше 50°С;
7 мин.
500 мл активатора Activator DS-500 достаточны для обработки
100 м2 поверхности.
Промыть заготовки в ванне с холодной водой в течение 30 с.
Промыть заготовки в холодной проточной воде в течение 2 мин.
Обработка в растворе ускорителя
Состав раствора:
1) дистиллированная вода
2) ускоритель Intensifier DS-650L
3) ускоритель Intensifier DS-650P
4) ускоритель Intensifier DS-650C
Режим обработки:
1) рабочая температура раствора
2) время обработки в растворе
400 мл /л;
430 мл/л;
100 мл/л;
10 мл/л.
45°С. Не выше 50°С;
4 мин.
После обработки 10 м2 поверхности заготовок добавлять:
Ускоритель Intensifier DS-650L
Ускоритель Intensifier DS-650P
Ускоритель Intensifier DS-650C
430 мл
100 мл
10 мл
Промыть заготовки в холодной проточной воде в течение 2 мин.
Обработать заготовки в стабилизаторе DS-800.
Промыть заготовки в холодной проточной воде в течение 2 мин.
Обработка ингибитором
В случае необходимости межоперационного хранения обрабо-
тать заготовки в растворе антиокислителя (ингибитора).
Состав раствора:
1) деминерализованная вода 950 мл/л;
2) Antitamish DS-850 50 мл/л.
Режим обработки:
1) рабочая температура раствора 18...22°С;
2) время обработки в растворе 0,5 мин.
500 мл Antitamish DS-850 достаточно для обработки 100 м2 по-
верхности.
Промыть заготовки в холодной проточной воде в течение 2 мин.
Просушить заготовки.
3.6.10. Общая оценка процессов
прямой металлизации
Преимущества процессов прямой металлизации следующие.
1. Получение равномерных покрытий.
2. Изъятие из процессов растворов формалина и сильных ком-
плексообразователей.
3. Короткое время создания поверхностной проводимости ди-
электрика — порядка 15 с.
4. Используемые в технологии растворы обладают высокой ста-
бильностью.
5. Возможность создания поверхностной проводимости для ши-
рокого диапазона диэлектриков.
6. Отсутствие разделительного слоя на стыках металлизации от-
верстий с внутренними КП.
7. Хорошая рассеивающая способность при удовлетворитель-
ном обмене раствора в отверстиях.
8. Меньший объем химических анализов.
9. Отсутствие необходимости слива растворов, содержащих медь.
Коллоидные системы, содержащие палладий, позволяют полу-
чить самый лучший вариант прямой металлизации сквозных от-
верстий. От прежних процессов он отличается большей дисперсно-
стью распределения палладия в тонкой покровной пленке и тем,
что вместо химического восстановления меди здесь она восстанав-
ливается контактным методом, образуя тонкий слой с устойчиво
хорошей электропроводностью. Но с позиций стоимости химичес-
ких компонентов процесс прямой металлизации на основе исполь-
зования углеродных суспензий (Black Hole) дешевле, но техничес-
кая реализация процесса Black Hole сложнее и стоимость оборудо-
вания выше, чем для палладиевой системы, где можно
использовать обычные погружные системы. Это обусловлено тем,
что в линию Black Hole-процесса приходится вводить дополни-
тельные устройства:
• для предотвращения расслаивания раствора — ультразвуковое
эмульгирование графитовой суспензии;
• для предотвращения уноса суспензии — двойные отжимные ро-
лики на входе и выходе из камеры обработки;
• для предотвращения неравномерности покрытия — специаль-
ная конструкция трубопроводов подачи раствора;
• для предотвращения засорения отверстий для подачи суспен-
зии — специальные щелевые напорные трубопроводы;
• для обеспечения устойчивости покрытия отверстий — система
мягких роликов, принудительно вдавливающих суспензию
в отверстия;
• для повышения эффективности сушки — роликовая сушка
с двумя воздушными ножами, один из которых продувает от-
верстия, другой отсасывает остатки раствора и воды, новая
сушка для маленьких отверстий.
Некоторые предприятия, первоначально освоившие систему
Black Hole, отказываются от нее в пользу палладиевых систем.
3.7. Термические процессы металлизации
Металлизация с использованием всевозможных термических эф-
фектов — нанесение тонких слоев (пленок) металлов или их сплавов
на поверхность изделий или полуфабрикатов из различных металли-
ческих и неметаллических материалов. Цель металлизации — изме-
нение физических и механических свойств поверхностей изделий:
их электропроводности, износостойкости, коррозионной стойкос-
ти, теплопроводности и т. д. При термической металлизации приме-
няют главным образом способы, связанные с испарением и последу-
ющей конденсацией металлов, термическим восстановлением ме-
таллов из соединений, диффузией из газовой фазы при термическом
разложении металлоорганических соединений и т. п.
3.7.1. Вакуумная металлизация
Вакуумная металлизация — это металлизация посредством терми-
ческого испарения и конденсации в вакууме (вакуумная металли-
зация). Процесс осуществляется в вакуумных напылительных уста-
новках при давлении 2-10-3...2-10-5 Па (рис. 3.8). Для испарения
металлов используют специальные испарители. Испаряемый ме-
талл конденсируется на поверхности изделий и заготовок. Для по-
лучения покрытий сложной конфигурации осаждение частиц ме-
талла ведется через маски, за-
крывающие не подлежащие ме-
таллизации участки поверхнос-
ти. Такой способ позволяет по-
лучать покрытия толщиной до
нескольких микрон и выдержи-
вать допуски по размерам на-
пыляемых элементов до 1...2%.
Иногда для увеличения адгезии
напыленного слоя и улучшения
его структуры металлизируе-
мую поверхность нагревают до
ЗОО...5ОО°С. Вакуумная метал-
лизация применяется для полу-
чения резистивных пленок из
никеля, титана и др., токопро-
водящих пленок из золота, се-
Рис. 3.8. Спиральный испаритель: I —
навеска испаряемого материала; 2 —
поток пара навески; 3 — подложка.
ребра, меди, алюминия, молибдена и др. для монтажных подложек
и контактов, подслоя хрома, титана и вольфрама под токопроводя-
щие слои, пленок из ниобия, индия и олова для криогенных запо-
минающих устройств, свето- и теплоотражающих покрытий из
алюминия и серебра.
3.7.2. Диффузионная металлизация
Способ основан на взаимном проникновении (диффузии) молекул
соприкасающихся металлов при их нагревании. Применяется для
насыщения приповерхностного слоя металлического изделия дру-
гим металлом, отличающимся от основного физико-химическими
свойствами. Процесс обычно протекает в герметичных камерах при
температуре 600...1600°С (в зависимости от свойств металлов). Диф-
фузия возможна из различных фаз диффундирующего металла:
твердой (например, в виде порошка, которым покрывают металли-
зируемую поверхность и затем нагревают до нужной температуры),
жидкой (в виде расплава, куда погружают обрабатываемое изделие)
или газообразной (в виде среды, содержащей пары либо галогениды
насыщающего металла, в которую помещают металлизируемое из-
делие). Таким способом получают насыщенные слои толщиной до
нескольких миллиметров.
3.7.3. Металлизация плакированием
Способ основан на взаимной диффузии молекул соприкасающихся
металлов в результате их сдавливания и нагрева. При металлизации
таким способом тонкий лист наносимого металла накладывают на
металлизируемую поверхность и в таком виде подвергают горячему
прокатыванию или прессованию, добиваясь прочного соединения
его с металлом изделия.
3.7.4. Металлизация вжиганием
Применяется для металлизации термостойких материалов: стекла, ке-
рамики, слюды. Способ заключается в нанесении на поверхность из-
делия тонкого слоя металлосодержащей пасты (обычно на основе се-
ребра или меди) и последующем обжиге, при котором органическое
связующее вещество пасты выгорает и остается слой металла толщи-
ной 10...15 мкм, обладающий высокой адгезией к материалу основы.
3.7.5. Процессы газотермического напыления
Газотермическим напылением называют процесс, основанный на
распылении расплавленного или размягченного материала с помо-
щью газовой струи, доставке в составе газового потока к подложке
и закреплении на поверхности в результате спекания. Для такого ме-
тода характерно одновременное воздействие на наносимый матери-
ал высокотемпературного источника тепла и кинетической энергии
газовой струи (рис. 3.9).
Распыление производят сжатым газом (воздухом, аргоном или
азотом), продуваемым через зону расплавленного металла или на-
греваемого порошка с образованием жидких или размягченных час-
тиц примерно 30 мкм в поперечнике. Частицы летят к подложке со
скоростью около 200 м/с, поэтому при ударе возникают значитель-
ные усилия, способствующие сцеплению и спеканию в процессе ос-
тывания. Слой формируется как совокупность затвердевших рас-
__________www.fastwel.ru
rOSTWei тел.: (095) 234-06-39
плющенных при ударе частиц.
Выбор подложки ограничивает-
ся термостойкостью подложки
по отношению к интегральной
температуре газовой струи, со-
держащей нагретые частицы на-
носимого вещества.
Зону расплавления создают
тремя способами: электрической
дугой, газовым пламенем и сжа-
той плазмой электрической ду-
ги. От температуры частицы на-
носимого вещества зависит ее
вязкость, смачивающая способ-
ность и химическая активность
при спекании с металлизируе-
мой поверхностью. Для газотер-
Рис. 3.9. Газотермическое напыле-
ние металла: а — расплавление газо-
вым пламенем; б — расплавление
в электродуговом разряде.
мического напыления характерна краткость процесса спекания в ре-
зультате быстрого отвода тепла от частицы на подложку.
Окисление металлических капель преимущественно происходит на
подложке в процессе спекания и в большинстве случаев рассматривает-
ся как механизм, способствующий сцеплению. Однако окисные про-
слойки ухудшают электропроводность и однородность слоя. При рас-
пылении в струе инертного газа электропроводность слоя может быть
повышена, но прочность сцепления часто становится меньше.
Прочность закрепления слоя на стекле зависит от степени размяг-
чения стекла под ударившейся каплей. Наиболее прочно сцепляется
медь, так как промежуточный слой оксида меди CuO (I) между медью
и, например, стеклом хорошо диффундирует в стекло. Образование
очень тонкого слоя оксида меди (I) происходит и в нейтральной сре-
де, что вызвано окисляющим действием размягченного под каплей
стекла, способного в таких условиях отдать часть своего кислорода.
3.7.6. Плазмотроны
При использовании газовой горелки или открытой электрической
дуги температура в зоне плавления относительно невелика, что огра-
ничивает выбор распыляемых материалов. Значительно более высо-
кую и устойчивую температуру можно получить при сжатии плазмы
электрической дуги. Такую плазменную струю получают путем про-
дувки инертного газа (аргона) через электрическую дугу, возбужден-
ную между неплавящимся вольфрамовым электродом и трубчатым
водоохлаждаемым заземленным медным соплом (рис. 3.10а, 3.11).
В канале сопла плазмотрона происходит сжатие плазмы, и темпера-
тура струи, истекающей из сопла, резко повышается, достигая
(1...5)-104°С. Регулируя состав плазмообразуюшего газа путем до-
бавления азота, устанавливают заданное падение напряжения дуги
в несколько десятков вольт при токе более 100 А. Электроды интен-
сивно охлаждают для предотвращения эрозии.
В зависимости от способа нагрева газа различают дуговые и ин-
дукционные плазмотроны. В дуговых плазмотронах (рис. 3.10а)
рабочий газ (водород, азот, гелий, аргон) превращается в плазму по-
средством сильноточного дугового разряда. В индукционных плаз-
мотронах (рис. 3. Юб) для нагрева газа используются высокочастот-
ные (несколько десятков мегагерц) и СВЧ разряды. Формирование
разряда в плазмотронах может осуществляться стенками разрядной
камеры, газовым вихрем, обдувающим столб дуги и генерируемую
плазменную струю, или магнитным полем.
Рис. 3.10. Типичные конструкции плазмотронов: а — дугового; б — индукци-
онного: 1 — источник электропитания; 2 — разряд; 3 — плазменная
струя; 4 — электроды; 5 — разрядная камера.
К основным параметрам плазмотронов относятся:
• мощность — у современных импульсных плазмотронов дости-
гает десятков мегаватт;
• средняя температура на оси плазменной струи — в пределах
6-103...4-104 К;
скорость истечения плазменной струи — 1—1000 м/с;
• КПД — лежит в пределах 50—90%;
• ресурс работы, определяемый эрозией электродов; достигает
нескольких сотен часов. И это основная проблема в использо-
вании плазмотронов — увеличение ресурса их работы.
Несколько иначе устроен дуговой плазмотрон с электромагнит-
ным сжиманием струи (рис. 3.10а). Плазмообразующий газ (воздух,
азот, аргон, водород, метан, кислород — в зависимости от назначе-
ния плазмотрона) с большой скоростью продувается через систему
спиральных каналов и «поджигается» в пространстве между катодом
и стенками разрядной камеры, которые являются анодом. Плазма,
закрученная благодаря спиральным каналам в плотную струю, вы-
брасывается из сопла. Ее скорость в потоке струи может достигать от
1 до 10 тыс. м/с. «Отжать» плазму от стенок камеры и сделать ее
Рис. 3.11. Схема дугового плазмотрона: а — с внутренней дугой; б — с внеш-
ней дугой: 1 — плазменная струя; 2 — вода; 3 — дуговой разряд; 4 —
каналы «закрутки» газа; 5 — катод из тугоплавкого металла (воль-
фрама); 6 — плазмообразующий нейтральный газ (аргон); 7 — дер-
жатель электрода; 8 — разрядная камера; 9 — соленоид; 10 — мед-
ный анод.
Crwj-Kxj.n.1 контрактное производство
I QSTWCI . компоненты, ПП, сборка, тест
струю более плотной помогает магнитное поле, которое создается
соленоидом. Температура струи плазмы на выходе из сопла — от 3000
до 25 000 К.
У плазмотронов с внешней дугой (рис. 3.106) плазменная струя
формируется между перемещающимся электродом-горелкой и ме-
таллической деталью. С их помощью можно сваривать различные
тугоплавкие металлы, производить их резку и наплавлять на поверх-
ность твердые тугоплавкие покрытия.
Газотермическое напыление с помощью плазмотронов позволя-
ет наносить тугоплавкие порошки. Порошковые материалы с разме-
ром частиц 30 мкм дозировано подают вибрационно-шнековым пи-
тателем. Далее частицы подхватываются газом, нагреваются до рас-
плавления и переносятся на поверхность подложки. Формируемый
слой во время процесса спекания во многих случаях защищают заве-
сой инертного газа.
Покрытие, полученное с помошью плазмотрона, имеет вид пло-
ских волокон толщиной 1...5 мкм. Прочность сцепления зависит от
четырех основных факторов: состояния поверхности, начальной
температуры подложки, мощности разряда, расстояния от сопла до
подложки. Минимальное расстояние составляет 50 мм при мощнос-
ти разряда 10 кВт. С увеличением расстояния наблюдается монотон-
ное убывание плотности пленки.
Процессы газотермического напыления используются для на-
несения слоя металла на изделия из пластмассы, керамики, бума-
ги, других металлических и неметаллических материалов. В техно-
логии электронной аппаратуры таким способом получают метал-
лические покрытия для защиты изделий от коррозии (пленки из
цинка, алюминия, кадмия), повышения твердости и износостой-
кости поверхности изделий (хром, хром-никель-бор), создания то-
копроводящих элементов (алюминий, серебро, золото), металли-
зации бумажных лент (диэлектрика) конденсаторов (алюминий,
олово).
3.8. Электрохимическая металлизация
Гальванические процессы в производстве печатных плат имеют
особо важное значение, так как они определяют такие свойства, как
способность проводящего рисунка к пайке, равномерность распре-
деления слоя металла в отверстиях, эластичность металла, его элек-
тропроводность. От составов применяемых электролитов зависит
производительность процесса металлизации, материальные затра-
ты и экологическое состояние производства печатных плат.
3.8.1. Законы электрохимической металлизации
Основой для электрохимической (гальванической) металлизации
является водный раствор солей металла, содержащий осаждаемый
материал в виде положительно заряженных ионов. Необходимые
для восстановления электроны поступают от внешнего источника
постоянного тока. Под действием внешнего напряжения ионы ме-
талла движутся к катоду, присоединяют электроны и осаждаются на
нем как нейтральные атомы. Примером может служить восстановле-
ние меди:
Cu2+ + 2е' -» Си0.
На рис. 3.2 показан принцип гальванического осаждения в уп-
рощенной форме. Катодом является предмет, подлежащий метал-
лизации, например печатная плата. В качестве анода преимущест-
венно используют осаждаемый материал, реже нерастворяющийся
нейтральный (платиновый, титановый, графитовый или из нержа-
веющей стали) электрод. Процессы, происходящие на аноде и ка-
тоде, имеют сложный характер. Их определяют реакции перено-
са — проникновения и адсорбции, которые, в свою очередь, зави-
сят от концентрации компонентов ванны и температуры.
Количественно процессы гальванической металлизации описы-
вают законы Фарадея, согласно которым масса вещества т, выде-
лившегося при электролизе, прямо пропорциональна количеству
происшедшего электричества It, а осажденные равным количествам
электричества массы веществ соотносятся как химические эквива-
ленты этих веществ (Ле)1. Таким образом,
т = Kit*,
' Химический эквивалент — отношение атомной массы элемента к его валентности.
Fastwel^?’
где К — теоретический электрохимический эквивалент, определяе-
мый из соотношения
K = Ae/F,
где F— постоянная Фарадея, F= 96500 Кл/(г-атом).
Для двухвалентной меди К= 1,186 г/Кл. На практике теоретиче-
ский эквивалент достигается очень редко. Электричество расходует-
ся на побочные процессы на электродах, например на соосаждение
водорода или кислорода. Отношение действительно осажденной
массы к предполагаемой называется выходом по току S/ или катод-
ным коэффициентом г]р.
^1~Г1К = (масса, осажденная в действительности)/
(предполагаемая масса) 100%.
Время t, необходимое для нанесения покрытия заданной толщи-
ны s, определяют согласно уравнению (*), считая т =pMAKs, т. е.
t = (sPmAk)/(KI$i)’
гл.ерм— плотность покрытия; Ак— площадь поверхности катода.
Характерной для гальванических покрытий является неравно-
мерность толщины слоя, что зависит от положения обрабатываемой
детали относительно анода и от явлений поляризации, которые,
проявляясь в критичных местах (краях, углах), препятствуют повы-
шению плотности тока, тормозят металлизацию.
Свойство ванны образовывать на катоде ровный по толщине
слой покрытия определяют как рассеивающую способность. Она тем
лучше, чем выше поляризация при осаждении. Поэтому ванны
с комплексообразователями (например, цианистые ванны) имеют
лучшую рассеивающую способность, чем кислые, так как металло-
осаждение в них протекает при повышенной поляризации.
Важнейшей характеристикой гальванического покрытия являет-
ся его структура. Ее определяют:
• процессы кристаллизации;
структура металла основы:
• тип электролита и параметры процесса (концентрация, плот-
ность тока, температура, перемешивание ванны);
• выделения водорода на катоде или кислорода на аноде;
* www.fastwel.ru
rGSTWei тел.: (095) 234-06-39
• побочные осаждения металлических, неметаллических, орга-
нических коллоидных веществ (блескообразователей).
Типичным для гальванических покрытий является вертикаль-
ный рост кристаллов в виде столбиков, причем в ряде случаев они
принимают кристаллическую ориентацию подложки. Такая волок-
нистая структура (текстура роста) нежелательна, так как она может
ухудшить механические свойства покрытия.
В электронной аппаратуре от гальванических покрытий требу-
ется высокая чистота, беспористость, пластичность и равномерная
толщина. Для этого непрерывно разрабатываются новые электро-
литы и процессы.
В целях получения специальных физических и химических
свойств покрытий осаждению сплавов придается особое значение.
Практическое применение находят сплавы Си—Sn, Sn—Ni, Sn—Pb,
Си—Zn, Ni—Co, Fe—Си, Ag—Ni, а также сплавы золота. Гальваниче-
ски осажденные сплавы, в отличие от оплавленных, термодинами-
чески не уравновешены и обнаруживают другие свойства, например
пониженную коррозионную стойкость.
3.8.2. Гальваника в технологии печатных плат
При изготовлении ПП гальваническое наращивание меди осуще-
ствляется после химического осаждения медного или никелевого
слоя. Покрытия меди толщиной в 20...30 мкм, в исключительных
случаях до 70 мкм, осаждают из сернокислых, пирофосфатных
и борфтористоводородных электролитов. Цианистые ванны дают
наилучшие результаты, но нежелательны ввиду их высокой токсич-
ности. Важнейшими критериями для использования той или иной
ванны являются рассеивающая способность (особенно при метал-
лизации отверстий), рабочая скорость осаждения, стойкость диэле-
ктрика к электролиту, стойкость к электролиту соединительного
слоя между диэлектриком и медной фольгой, а также экономичес-
кие соображения. Помимо гальванических медных покрытий на
печатных платах осаждают также сплав олово—свинец, блестящее
олово и золото в качестве металлорезистов для защиты меди при
травлении рисунка, а также Ni, Pd, Ag, Rh и Au в качестве контакт-
ных материалов. Кроме названных функций, эти слои обеспечива-
Рис. 3.12. Схема процессов изготов-
ления печатных плат на основе хи-
мической и гальванической метал-
лизации.
ют длительное сохранение паяе-
мости и защиту от коррозии.
Схема процессов химической
и гальванической металлизации
в производстве печатных плат
показана на рис. 3.12.
Гальванические покрытия
Sn—РЬ гарантируют хорошую
паяемость только в случае их
последующего оплавления,
без которого они предрасполо-
жены к коррозии. Сплав оло-
во-свинец осаждают из борф-
тористоводородных ванн в со-
отношении 60% Sn и 40% РЬ
(эвтектический сплав). Это со-
отношение соответствует со-
ставу припоя, применяемого
при последующем процессе
пайки. Для обеспечения паяе-
мости и стойкости к травите-
лям необходим слой толщиной
10—20 мкм. Рассеивающая способность электролита для получе-
ния сплава Sn—РЬ намного хуже, чем у медного, поэтому даже при
осаждении достаточно толстых покрытии необходимо контроли-
ровать покрытие в отверстиях. Ввиду нестойкости неэвтектичес-
ких сплавов Sn—РЬ к действию раствора персульфата аммония не-
обходимо придерживаться указанного состава сплава.
Применение ванн для блестящего лужения, работающих в кис-
лой среде и дающих относительно твердые оловянные покрытия
с хорошим блеском, невелико по причине плохой паяемости оло-
вянных покрытии по сравнению с Sn—РЬ. Покрытия из чистого оло-
ва таят в себе опасность образования нитевидных кристаллов. Это
тончайшие монокристаллические нити металла, которые могут
спонтанно вырасти из твердой среды при комнатной температуре.
Причины образования нитевидных кристаллов разнообразны, а ус-
ловия их возникновения точно не известны. В электронных узлах
возникновение нитевидных кристаллов вызвало бы короткие замы-
кания соседних слоев. Правда, их образование наблюдалось до сих
пор только на подложках из латуни и железа, в то время как медная
и никелевая основы, судя по всему, к этому не расположены.
Покрытия из золота обеспечивают наилучшую защиту от корро-
зии и при травлении, но могут вызвать трудности при пайке. Слиш-
ком тонкие и пористые слои золота (менее 4 мкм) растворяются оло-
вом припоя с образованием интерметаллических фаз, что может
привести к плохому растеканию и некачественной пайке. Более тол-
стые слои золота, которые паяются хорошо, слишком дороги. По-
этому гальваническое покрытие золотом применяется только для
отдельных частей печатных плат, например контактных площадок
печатных разъемов.
Серебро используется почти исключительно для облагоражива-
ния контактов. Хотя серебро обладает хорошей термической и элек-
трической проводимостью, оно относительно дешево и легко осаж-
дается. Возможность его применения ограничена взаимодействием
этого металла с серой и ее соединениями, а также наблюдаемой в ря-
де случаев миграцией серебра.
По сравнению с другими методами нанесения покрытий гальва-
нические методы имеют при производстве электронной аппаратуры
следующие преимущества:
• возможность осаждения всех технически необходимых метал-
лов;
• возможность получения слоев любой толшины;
• возможность осаждения сплавов;
• большие скорости осаждения (от 1 до 300 мкм/ч);
• хорошая прочность сцепления;
• возможность автоматизации процесса.
Однако им присуши и недостатки:
• возможность покрытия только электропроводящих деталей;
• возможность неравномерного осаждения слоев;
• возможность проникновения электролита в материал основы,
что с течением времени может вызвать коррозию;
• возможность разрушения соединительных слоев между диэле-
ктриком и металлической фольгой;
• трудоемкость предварительной обработки диэлектрика.
3.8.3. Электролиты в производстве печатных плат
3.8.3.1. Электролиты меднения
Гальваническое меднение является наиболее ответственной опера-
цией, так как при этом получают покрытия в монтажных и переход-
ных отверстиях и на проводниковых дорожках. К слою электролити-
ческой меди предъявляются высокие требования:
• равномерность распределения по толщине;
• эластичность, исключающая появление трещин и других де-
фектов при термоударах;
• электропроводность.
Кроме того, электролиты, используемые для меднения, должны
быть стабильными в эксплуатации, допускать возможность приме-
нения повышенной плотности тока в целях интенсификации про-
цесса осаждения, быть нетоксичными и не содержать дорогостоя-
щих компонентов.
Пирофосфатный электролит
Основной компонент электролита — комплексная соль меди об-
разуется в результате растворения пирофосфата меди в избытке пи-
рофосфата калия по реакции:
Си2Р207 + ЗК4Р207 = 2К6[Си(Р207)2].
Разряд меди происходит из комплексного аниона, поэтому про-
цесс сопровождается значительной катодной поляризацией. Это
обусловливает мелкозернистую структуру покрытия, высокую рас-
сеивающую способность (толщина слоя меди в отверстиях составля-
ет 85—90% от толщины на контактной площадке) и хорошие механи-
ческие свойства меди. В этом отношении пирофосфатный электро-
лит имеет существенные преимущества перед другими. Отсутствие
органических добавок позволяет осуществлять непрерывную фильт-
рацию через уголь и этим сохранить хорошие механические свойст-
ва меди, в том числе эластичность, быстро ухудшающуюся в кислых
электролитах вследствие накопления органических примесей из-за
частичного разрушения фоторезистов.
В то же время электролит обладает рядом недостатков: накопле-
ние фосфатов вследствие гидролиза пирофосфата:
Р204~7 + Н20 -* 2НРО2 4
и, как следствие, включение в осадок меди фосфора до 0,6% по мас-
се, вызывающее затруднения при пайке и снижение эластичности
меди. Невозможность использования более удобного в эксплуата-
ции фоторезиста водощелочного проявления приводит к оконча-
тельному отказу от его использования.
Борфтористоводородные электролиты
Борфтористоводородноя кислота HBF4 образует хорошо рас-
творимые в воде соли различных металлов, в том числе и с медью.
Фторборат меди Cu(BF4)2 — соль с высокой степенью диссоциации.
Это дает возможность меднить в растворах с большой концентраци-
ей ионов меди в катодной зоне при более высоких плотностях тока,
чем в других кислых электролитах. Состав электролита, (г/л):
медь борфтористоводородная 230—250;
кислота борфтористоводородная 5—15;
кислотаборная 15—40;
температура электролита 15—20°С;
катодная плотность тока (А/дм2) 3—5.
Электролит готовится растворением в теплой воде борфтористо-
водородной меди или же растворением в борфтористоводородной
кислоте углекислой меди.
Борфтористоводородный электролит следует применять в произ-
водстве печатных плат с низкой плотностью проводящего рисунка.
Электролит обладает плохой рассеивающей способностью и очень
агрессивен к пленочным фоторезистам, в результате чего в нем доволь-
но быстро накапливаются органические примеси, и осаждающаяся
медь теряет эластичность, становится хрупкой. Кроме того, большое
количество фторборатов затрудняет обработку сточных вод.
Сульфатные электролиты
Сульфатные (сернокислые) электролиты являются наиболее
простыми по составу и очень стабильными в эксплуатации. Однако
стандартный электролит, содержащий сернокислую медь
(200...250 г/л) и серную кислоту (50...75 г/л), имеет плохую рассеива-
ющую способность и невысокую производительность (при комнат-
ной температуре осаждение меди происходит при плотности тока не
более 2 А/дм2).
Составы сульфатных электролитов для металлизации печатных
плат приведены в табл. 3.6.
Таблица 3.6. Сернокислые электролиты меднения
Компоненты и режимы Концентрация (г/л) компонентов в электролитах
1 2 3
Медь сернокислая, пятиводная 220. 230 200..230 60...80
Кислота серная 50. .60 50 .60 150 .160
Спирт этиловый (мл/л) 10 - -
Натрий хлористый - 0,03..0,05 0,03 .0,05
Блескообразующая добавка 0,3 0,2..0,3
Продукт ОС-20 - 0,4. .0,6 0,4.„0.6
Режим:
Температура электролита, "С 18..20 18..25 18...25
Катодная плотность тока, А/дмг 1.2 3...5 3...5
Электролит № 1 рекомендован для металлизации печатных плат,
имеющих отношение толшины платы к диаметру металлизируемых от-
верстий 2,5 и меньше. Электролит не агрессивен по отношению к фо-
торезистам, в нем получаются эластичные покрытия с мелкозернистой
структурой. Пониженная плотность тока по сравнению с другими эле-
ктролитами обусловливает его более низкую производительность.
Электролит № 2 обеспечивает более высокую производитель-
ность и хорошую рассеивающую способность. Осадки меди гладкие,
блестящие и эластичные. Электролит рекомендуется для металлиза-
ции плат, имеющих отношение толшины платы к диаметру отвер-
стий 2,5 и более.
Электролит № 3 характеризуется более высоким содержанием
серной кислоты при уменьшенной концентрации сернокислой ме-
ди. Это обстоятельство обусловливает наиболее высокую рассеива-
ющую способность среди кислых электролитов, которая приближа-
ется к рассеивающей способности пирофосфатных электролитов.
Осадки меди гладкие, блестящие. Для плат с отношением их толши-
ны к диаметру отверстий до 10 : 1 рекомендуются сульфатные элек-
тролиты с отношением H2SO4: Си = 10: 1. Подобного типа электро-
литы являются весьма перспективными и в производстве печатных
плат для поверхностного монтажа, у которых диаметр переходных
отверстий уменьшается до 0.2...0,15 мм. Режимы меднения для таких
плат предусматривают «продавливание» электролитов через отвер-
стия под давлением и воздействием высокочастотных вибраций.
www.fastwel.ru
FCISTWGl тел.: (095) 234-06-39
Важное значение имеет эластичность осаждаемого слоя меди,
так как в условиях эксплуатации платы подвергаются нагреву и про-
исходит тепловое расширение материала, из которого изготовлена
плата, и слоя меди. Коэффициент линейного расширения эпоксид-
ного полимера в 5 раз больше, чем коэффициент линейного расши-
рения меди (аэп = 100-10'6 мм/мм-°C и аСи = 17-10-6 мм/мм-°C).
Поэтому в результате термоударов в слое меди, осажденном на стен-
ках отверстий, возникают значительные напряжения и, если медь не
эластична, происходит ее разрыв в переходном отверстии, что при-
водит к выходу из строя всего блока.
Расчеты [9] показывают, что на многослойной плате толщиной
5 мм удлиннение по оси отверстия при пайке на волне припоя
(/ = 250°С) составляет для диэлектрика 0,11 мм, для меди 0,02 мм.
В этом случае слой меди должен «вытянуться» почти на 90 мкм и, ес-
ли относительное удлиннение меди менее 2%, неизбежен ее разрыв.
Учитывая вышеизложенное, необходимо систематически контроли-
ровать эластичность меди, не допуская снижения до 4% величины
относительного удлинения.
Большое влияние на эластичность меди оказывает накопление
в электролите органических примесей в результате агрессивного
воздействия электролита на фоторезисты, краски и диэлектричес-
кие материалы платы, поэтому, контролируя величину относитель-
ного удлиннения меди, косвенно можно судить о накоплении орга-
нических примесей и принимать меры по их удалению.
Попадание в электролиты органических примесей вызывает не
только снижение эластичности меди, но и ухудшение электропро-
водности. Так, чистая медь имеет удельное электрическое сопротив-
ление 1,72-10~6 Ом см2; для меди, осажденной из электролитов 2
и 3, эта величина составляет 2,6-10-6 Ом • см2 и по мере накопления
органических примесей возрастает на 25—30%.
Корректировка электролита
Основные компоненты электролита — медь сернокислую, кисло-
ту серную и хлориды добавляют в электролит по данным химическо-
го анализа, который производят при интенсивной работе ванны не
менее двух раз в месяц. Корректировку по органическим добавкам
выполняют после прохождения через ванну определенного количест-
ва электричества. Так, после прохождения 18 ККл/л (5 А-ч/л) вводит-
ся 1 мл/л продукта ОС-20 в виде приготовленного раствора (100 г/л).
Накопление органических примесей приводит к образованию блестя-
щих полос и хрупкости покрытия, что выражается в резком снижении
пластичности. При уменьшении пластичности до значения менее 4%
электролит необходимо освободить от органических примесей введе-
нием в него 10 г/л активированного угля (БАУ). После тщательного
перемешивания и выдержки не менее 7 ч его фильтруют и затем в не-
го вводят выравнивающую и пластифицирующую добавки. Необхо-
димость корректирования электролита добавками устанавливается
также с помощью ячейки Хэлла, в которой исследуется качество по-
крытия и необходимость введения добавок. Рекомендуется также от
каждой новой партии добавок. Одновременно следует проконтроли-
ровать эффективность добавки, исследуя процесс электроосаждения
в ячейке Хэлла. Устройство ячейки Хэлла и методика исследования
электролитов приведены в следующем разделе. Основные неполадки,
встречающиеся при эксплуатации кислых электролитов, и возмож-
ные причины их появления приведены в табл. 3.7.
Таблица 3.7. Основные неполадки при меднении в кислых элекроли-
тах [9]
Характер неполадок Возможные причины
Темные, шероховатые осадки Высокая плотность тока, недостаток кислоты по отношению к содержанию меди. Включение в осадок механических примесей и закиси меди при недостатке кислоты
Светлые (блестящие) полосы. Пассивирование анодов Загрязнение органическими веществами. Недостаток кислоты (H2SO4) или HBFJ. Излишек фосфора в анодах АМФ
Скорость осаждения покрытия меньше расчетной Плохое качество металлизации в отверстиях плат Растворение меди с проводников на одной стороне заготовки Хрупкость медных покрытий Отслаивание осажденной меди от медной фольги Снижение выхода по току из-за накопления железа Недостаточная скорость покачивания плат при осаждении меди Отсутствие контакта платы с подвеской и растворение меди вследствие биполярного эффекта Накопление в электролите органических примесей Наличие окисных разделительных слоев на фольге или неудаленного плохо сцепленного слоя химически осажденной меди
Темно-серый "подгар” осадков из электролита с добавкой Недостаток хлоридов
Особенности электрохимического меднения в производстве печат-
ных плат
Обмен электролита в отверстиях. Перемешивание электролита
барботированием сжатым воздухом или механическими мешалками
не лает эффекта, так как не обеспечивается подача свежего электро-
лита в отверстия диаметром 0,6...0,8 мм, и в результате этого осажде-
ние меди на стенки отверстий происходит из электролита с пони-
женной концентрацией компонентов на предельном токе. Хороший
обмен электролита в отверстиях достигается при жестком закрепле-
нии плат на катодной штанге, совершающей в электролите возврат-
но-поступательные движения.
Контактирование. Хороший контакт платы с подвеской и подве-
ски с катодной штангой необходим для того, чтобы на всех платах
осаждалось равное количество меди. При нарушении контакта мо-
жет произойти полное или частичное растворение меди. Это явле-
ние вызывается биполярным эффектом и происходит из-за того, что
медненная поверхность платы не будет поляризована катодно и ста-
нет анодом по отношению к соседним платам, имеющим хороший
контакт с катодной штангой.
Для обеспечения хорошего жесткого контакта всех плат с подве-
сками рекомендуется использовать резьбовые соединения.
Глубина погружения плат должна выбираться так, чтобы самая
нижняя на подвеске плата была на уровне и даже несколько выше
нижней кромки анодов, в противном случае происходит значитель-
ная концентрация тока на нижних платах и в результате формирует-
ся «подгорелый» слой меди.
Загрузку подвесок платами следует выполнять таким образом,
чтобы обе стороны, обращенные к анодным штангам, имели бы
приблизительно одинаковую поверхность, подлежащую меднению.
Это обеспечивает получение более равномерных по толщине покры-
тий на обеих сторонах платы.
Содержание серной кислоты. При недостатке H2SO4 наблюдаются
(табл. 3.7) такие дефекты, как образование шероховатых осадков. Это
явление связано с тем, что в результате частичного пассивирования
анодов их потенциал сдвигается в положительную сторону и создают-
ся условия, при которых анод растворяется по схеме: Си -* Си+ + е.
Одновременно ионы меди в результате реакции диспропорциониро-
вания (2Си+ -» Си0 + Си2+) служат источником появления в объе-
ме электролита мельчайших частиц металлической меди, которые
за счет эффекта катафореза перемещаются к катоду и внедряются
в состав покрытия. Образование шероховатостей непосредственно
после фильтрации электролита является следствием указанного
явления.
Введением H2SO4 и интенсивным барботираванием воздуха мож-
но окислить диспернированную металлическую медь по реакции:
Cu2SO4 + H2SO4 + l,5O2 -* 2CuSO4 + Н2О
и этим исключить шероховатость осадков меди.
3.8.3.2. Электролиты осаждения сплава олово—свинец
Гальванический сплав олово—свинец
Это один из видов защитного покрытия проводящего рисунка
на платах, которые должны выполнять в основном три функции: за-
щиту проводников при вытравливании меди (быть металлорезис-
том), обеспечение пайки выводов радиоэлементов (быть финиш-
ным покрытием) и защиты проводников от коррозии. В качестве
металлорезиста могут быть использованы серебро, золото, сплавы
олова и др. Однако при пайке хорошую растекаемость припоя
с применением канифольных флюсов обеспечивает только сплав
олово—свинец, соответствующий эвтектическому сплаву, содержа-
щему 61 % олова (ПОС-61). Другие сплавы олова и чистое олово для
покрытия печатных плат непригодны не только из-за быстрой поте-
ри способности к пайке, но и вследствие склонности покрытий по-
сле длительного хранения к иглообразованию и невозможности оп-
лавления покрытия.
Платы с покрытиями олово—кобальт и олово—висмут, содержа-
щими легирующие присадки в количестве 0,005...0,05%, сохраняют
паяемость длительное время, но процессы их осаждения трудно под-
даются управлению. Даже при наличии в покрытии указанных приса-
док имелись случаи иглообразования, а из-за плохой способности
к пайке некоторые производители ввели дополнительное «облужива-
ние» сплавом Розе, что привело к нерациональному расходу олова
и висмута.
www.fastwel.ru
rQSTWGI тел.: (095) 234-06-39
Рис. 3.13. Катодная поляризация
при осаждении свинца (1) и олова
(2) в фторборатном электролите.
Олово со свинцом легко об-
разует сплавы с различным соот-
ношением компонентов в зави-
симости от состава электролита
и режима электроосаждения.
Концентрация солей олова
и свинца в электролите опреде-
ляет и соотношение металлов
в покрытии. Однако при одном
и том же составе электролита
имеет место значительный раз-
брос в составе сплава в зависимости от содержания поверхностно-ак-
тивных веществ. Это явление обусловлено тем, что некоторые по-
верхностно-активные вещества, увеличивая катодную поляризацию
более электроположительного металла, т.е. свинца, сдвигают потен-
циал катода в отрицательную сторону и создаются условия для вос-
становления олова. Рисунок 3.13 иллюстрирует это явление: при ука-
занных на рисунке положениях поляризационных кривых количест-
во олова в сплаве по отношению к свинцу определяется отношением
ординаты ab кас. Это означает, что при постоянстве состава электро-
лита увеличение катодной плотности тока увеличивает относитель-
ное содержание олова в сплаве. Это обстоятельство имеет особо
большое значение при нанесении покрытия на печатные платы, так
как условия осаждения сплава SnPb в отверстии и на проводнике зна-
чительно отличаются. Вследствие большого различия в плотности
тока сплав SnPb на проводнике более богат оловом, чем в отверстии.
В результате этого смачиваемость припоем стенок отверстий и кон-
тактных площадок различна, что сказывается на качестве пайки.
Поэтому для обеспечения эвтектического состава припоя следу-
ет применять такие электролиты, которые позволяют получать оди-
наковый по составу сплав в большом диапазоне рабочих плотностей
тока. Стабильный по всей плате состав сплава необходим также
и для того, чтобы обеспечить качественное выполнение операции
оплавления.
Борфтористоводородные электролиты осаждения SnPb
В производстве печатных плат получили распространение борф-
тористоводородные (фторборатные) электролиты, обеспечивающие
осаждение сплава, содержащего 60% олова. Состав трех вариантов
таких электролитов приведен в табл. 3.8.
Таблица 3.8. Электролиты осаждения эвтектических сплавов SnPb
Компоненты и режимы Концентрация, г/л
1 2 3
Фторборат олова в пересчете на металл 50...60 14...18 25...30
Фторборат свинца в пересчете на металл 25...40 7. .9 15...18
Кислота борфтористоводородная (свободная) 40...75 250...280 80...90
Кислота борная 25...30 20...30 -
Синтанол ДС-10 (10%), мл/л - - 60
Синтанол ДС-10 натрий (10%), мл/л - - 5
Пептон или клей мездровый 3...5 4...6 -
Гидрохинон 1,0 0,8... 1,0 -
Температура, 'С 18...25 18...25 18.25
Катодная плотность тока, А/дм2 1...3 1...3 1...3
Электролит № 1 широко применяется в гальванотехнике для
покрытия металлических деталей. На печатных платах неоднород-
ность состава сплава на отдельных участках плат колеблется в преде-
лах 40—60% по олову, поэтому сплав плохо оплавляется и при мон-
тажно-сборочных операциях возникает необходимость горячего об-
луживания плат припоем ПОС-61.
Электролит № 2 рекомендован для покрытия печатных плат.
Значительное увеличение содержания борфтористоводородной кис-
лоты по отношению к солям олова и свинца обеспечивает достаточ-
но однородный состав сплава при плотностях тока 0,5.„2,0 А/дм2.
Однако этот электролит обладает повышенным агрессивным воз-
действием на фоторезисты.
Электролит № 3 разработан на основе материалов лицензии фир-
мы Schering AG (теперь — Athotech). В электролит вводятся две добав-
ки: синтанол ДС-10 и синтанол ДС-10 натрий. Эти компоненты обес-
печивают необходимую структуру и стабильность состава сплава
в широком интервале плотности тока. Перемешивание электролита
слабое, так как при более энергичном перемешивании снижается ка-
тодная поляризация свинца и уменьшается количество олова в спла-
ве. Скорость осаждения покрытия 1 мкм/мин при Дк = 2 А/дм2.
Этот электролит по сравнению с другими обладает рядом пре-
имуществ:
Faslwel'CS^’
• высокой рассеивающей способностью, которая выражается,
например, в том, что на платах толщиной 2,5 мм при диаметре
отверстий 1,0 мм отношение толщины покрытия в отверстии
и на контактных площадках составляет 1:1;
• органические продукты практически не включаются в состав
покрытия, в результате чего сохраняется способность к пайке
после годичного хранения плат;
• покрытие легко оплавляется как в теплоносителе, так и под
действием инфракрасного облучения;
• вероятность иглообразования близка к нулю;
• покрытие при толщине 8 мкм беспористо, что позволяет сни-
зить толщину покрытия с 15—18 мкм (стандартное) до 9— 12 мкм
и экономить дефицитные цветные металлы.
Приготовление фторборатното электролита. Борфтористоводо-
родная кислота в количестве, необходимом для образования солей
свинца и олова, делится примерно на две равные части. В одной из
них в отдельной емкости растворяют свинцовый глет или углекис-
лый свинец. Вторая часть кислоты используется для получения
фторбората олова, если нет готового продукта.
Для получения фторбората олова вначале приготавливают
фторборат меди, вводя небольшими порциями углекислую медь
в борфтористоводородную кислоту. Раствор фторбората меди на-
гревают до температуры 5О...6О°С и вводят в него металлическое
олово в виде гранул, стружки или порошка. Для ускорения реакции
олова берут на 1/5 часть больше расчетного количества и раствор
перемешивают. В результате реакции цементации олово переходит
в раствор, а медь осаждается на частицах олова. Процесс прекра-
щают после полного обесцвечивания раствора. Полноту удаления
меди проверяют путем добавления к отдельной порции раствора
небольшого количества железисто-синеродистого калия; если
в растворе имеется медь, то образуется красно-бурый осадок. Сле-
ды меди удаляют путем ее контактного осаждения на стальную
пластинку.
Корректирование фторборатного электролита. Корректирова-
ние электролита по основным компонентам следует проводить по
данным химического анализа не реже двух раз в месяц. Корректиро-
вание электролита по добавочным компонентам проводят на основе
данных табл. 3.8, определяющей причины тех или иных неполадок,
связанных с содержанием ПАВ.
Таблица 3.8. Основные неполадки при осаждении SnPb
Характер неполадок Возможные причины
Ухудшение способности к пайке Изменение состава сплава; накопление в электролите меди (более 0,05 г/л)
Шероховатость покрытия ("набросы") Осаждение "подгорелых" покрытий, склонность к дендритообразован ию Плохая рассеивающая способность Накопление механических примесей Пониженное содержание HBF4, недостаток клея или другого ПАВ Недостаток свободной HBF4, недостаток выравнивающих добавок
Недостаточное количество олова в сплаве Понижение содержания олова в электролите, недостаток ПАВ. Избыточ-ное количество свинца в электролите, интенсивное перемешивание, пониженная катодная плотность тока
Полосчатость покрытия
Накопление органических примесей вследствие
выщелачивания фоторезистов или попадания
масел с механизмов, обслуживающих ванны
Накопление органических примесей в электролите
Газовыделение в процессе пайки
Корректирование электролита производится через 10 А-ч/л про-
изводят введением 5 мл/л синтанола ДС-10 и 1 мл/л синтанола
ДС-10 натрий в виде 10%-ных растворов.
По мере накопления органических примесей электролит перио-
дически чистят обработкой активированным углем с последующей
фильтрацией. В результате подобной обработки теряются органиче-
ские добавки, введенные в электролит при его приготовлении, по-
этому необходимо после очистки эти добавки вводить в полном объ-
еме в соответствии с заданным составом.
Кроме того, в порядке профилактики электролит три-четыре ра-
за в год следует обрабатывать углем.
Кремнефтористые электролиты осаждения SnPb
В целях замены дефицитной борфтористоводородной кислоты
на более дешевый и менее дефицитный материал некоторые произ-
водители применяют кремнефтористые электролиты на основе
кремнефтористоводородной кислоты H2SiF6, являющейся отходом
производства фосфорнокислых удобрений и поэтому более дешевой
и доступной [9].
Состав электролита:
Кремнефтористый свинец (в расчете на металл), г/л 12... 14;
Кремнефтористое олово (в расчете на металл), г/л 10...20;
Кремнефтористая кислота, мл/л 150... 170;
Синтанол ДС-10, мл/л (10%-ный р-р) 60;
Желатина или пептон, г/л 2...5.
Температура электролита 18...25°С, катодная плотность тока для
получения сплава, содержащего 60% олова, должна составлять
1,3... 1,5 А/дм2. При отклонениях плотности тока от этих значений
состав сплава изменяется.
Пирофосфатный электролит
Для получения покрытий SnPb с содержанием олова 60±5% Ин-
ститутом неорганической химии АН Латвии предложен электролит
следующего состава, г/л:
Олово (в пересчете на металл) 35...40;
Свинец (в пересчете на металл) 20...25;
Пирофосфат калия (свободный) 130... 150;
Солянокислый гидразин 8... 12;
Добавка ДДДМ 1,0;
Клей гидролизованный 1,5.
Величина pH = 8,3...8,9; температура электролита 18...28°С, ка-
тодная плотность тока 2...4 А/дм2.
Солянокислый гидразин стабилизирует содержание Sn2+, пре-
дотвращая его окисление до четырехвалентного состояния. Добав-
ка ДДДМ представляет собой соединение 4,4-диамино-3,3-диме-
токсидифинилметан и в сочетании с клеем обусловливает в рабо-
чем интервале плотности тока постоянство содержания олова
в сплаве.
Основным преимуществом пирофосфатного электролита явля-
ется его меньшая агрессивность по отношению к фоторезисту, чем
у борфтористоводородного электролита, и в связи с этим меньшее
количество накапливающихся продуктов разложения, которые,
включаясь в покрытие, ухудшают его качество.
Особенности технологии осаждения SnPb
Для обеспечения постоянства состава сплава, а также стабиль-
ности его физико-химических свойств необходимо руководство-
ваться следующими рекомендациями:
• перемешивание электролита осуществляется медленным по-
качиванием плат в процессе электролиза (период качания
1...2 с); более интенсивное покачивание вызывает снижение
катодной поляризации свинца и его увеличение в составе
сплава;
• во избежание попадания в электролит сульфат-иона перед на-
несением покрытия операцию активации проводить не в сер-
ной кислоте, а в 10%-ном растворе борфтористоводородной
кислоты и без промывки переносить платы в ванну для покры-
тия сплавом;
• аноды из сплава олово—свинец с содержанием олова 60%
и свинца 40% необходимо применять в виде металла. В том
случае, если они готовятся сплавлением свинца и олова, надо
следить за тем, чтобы в них содержание каждой из ниже пере-
численных примесей не превышало 0,003%: меди, висмута,
сурьмы, мышьяка и железа;
• в целях исключения возможности накопления меди в электро-
лите не допускать падения плат на дно ванны и не поднимать
уровень электролита в ванне выше медных или латунных
крючков, на которых висят аноды.
Удаление покрытия SnPb
Эта операция проводится для освобождения от сплава области
разъемов печатных плат для последующего осаждения контактных
покрытий или для удаления SnPb со всей платы под нанесение па-
яльной маски. Стравливание SnPb производят химическим раство-
рением покрытия при температуре 18.,.25°С в одном из следующих
растворов.
Раствор № 1;
Кислота борфтористоводородная 330 мл;
Пергидроль
Вода
Раствор № 2:
Азотная кислота
Медь борфтористая
препарат ОС-20
70 м;
до 1 л.
400...500 мл/л;
5... 10 г/л;
2...5 г/л.
Продолжительность обработки 3...5 мин. Для защиты проводя-
щего рисунка на границе с областью разъема рекомендуется исполь-
зовать любую липкую ленту или легко снимаемое покрытие. Ско-
рость растворения покрытия во втором растворе 3...4 мкм/мин.
Контроль электролита с помощью ячейки Хэлла
Ячейка представляет собой электролизер (рис. 3.14) емкостью
до 1000 мл. Анодом служит металлическая пластинка из того же ма-
териала, который используется в гальванической ванне, катодом —
отполированная с двух сторон латунная пластинка размером
120 мм, которая помещается на расстоянии 2 мм от стенки элект-
ролизера. Электролизер подключается к источнику тока с плавной
регулировкой силы тока. Катодная пластинка, хорошо обезжирен-
ная и активированная, погружается в электролит, и на нее подает-
ся ток силой 1...5 А в зависимости от режимов, рекомендованных
для данного электролита. Электролиз ведут 10...30 мин, после чего
пластинку хорошо промывают, обсушивают фильтровальной бума-
гой и производят визуальную оценку качества покрытия на различ-
ных участках ее поверхности, определяя, в каких интервалах плот-
ности тока образуются, например, блестящие покрытия или покры-
тия с «подгарами». Для правильного использования ячейки вначале
с ее помощью производится исследование электролита ванны,
обеспечивающего хорошее качество покрытия. При этом фиксиру-
ются особенности электроосаждения металла во всех зонах катод-
ной пластинки. По мере эксплуатации электролита отмечаются за-
меченные отклонения в качестве покрытия по зонам и определя-
ются способы корректирования электролита. Так, например.
при исследовании электролита для осаждения сплава олово—сви
нец устанавливают необходимость введения в электролит синтано
ла ДС-10, если обратная сторона катодной пластинки не имеет по
крытая. Если лицевая сторона
катода в зоне катодной плотно-
сти тока 4 А/дм2 шероховатая,
следует добавить синтанол
ДС-10 натрий.
Определение состава сплава
SnPb.
Состав сплава олово—сви-
нец, осаждаемого на печатную
плату в производственных уело-
виях, определяется лабораторным анализом зачастую не всегда опе-
ративно, при том, что кулонометрическим способом состав сплава
можно определить за 30...40 мин непосредственно на производст-
венном участке, причем для этого метода не требуется специального
оборудования. Массовую долю олова в сплаве рассчитывают, зная
количество электричества (Q), затраченного на осаждение сплава
массой М, определенной как привес на пластинке из медной фоль-
ги, являющейся катодом.
Последовательно с электролизером подключается кулонометр
или выполняющая роль кулонометра ванна меднения, в которой по
привесу катода Л/Си и величине электрохимического эквивалента
меди (1,186 г/А-ч) рассчитывают количество прошедшего электри-
чества в ампер-часах: Q = Л/Си/1,186.
Если доля олова в сплаве т, то привес олова и свинца составит
тМ и (1 — т)М.
Тогда количество электричества, затраченного на осаждение
сплава, можно выразить как сумму электричества, необходимого для
осаждения олова и свинца:
тМ (1 - т)М
2,214 3,865 ’
где 2,214 и 3,865 — электрохимические эквиваленты олова и свинца.
Отсюда
т = 5,1829— -1.3410.
М
Осветление покрытия SnPb
При травлении меди в аммиачно-щелочных растворах оловян-
но-свинцовое покрытие частично растворяется, образуя на поверх-
ности темный шлам, препятствующий выполнению последующих
операций пайки или оплавления покрытия. Для удаления травиль-
ного шлама платы погружают в осветляющий раствор, содержащий
тиомочевину 80...85 г/л, кислоту соляную (плотность 1,19 г/см3)
50...60 мл/л, спирт этиловый или синтанол ДС-10 5...6 мл/л, продукт
ОС-20 8...10 мл/л, при температуре 18...25°С и обрабатывают в нем
1—1,5 мин. Для приготовления этого раствора 1/5 объема ванны за-
полняют водой и вливают в нее соляную кислоту. Отдельно раство-
ряют тиомочевину, и вводят полученный раствор в ванну. К смеси
добавляют спирт или продукт ОС-20, и ванну доливают водой до
уровня. Операцию осветления можно проводить и в растворах дру-
гих составов, например во фторборатном, содержащем борфторис-
товодородную кислоту 100 мл, тиомочевину 100 г, смачиватель ОП-7
10 мл, воду до 1 л, при температуре 5О...6О°С в течение 1...2 мин.
Оплавление покрытия SnPb
Гальваническое покрытие сплавом олово—свинец типа ПОС-61
представляет собой эвтектику с температурой плавления 183°С. По-
этому это покрытие при нагреве легко расплавляется и в жидком ви-
де стекает с поверхности проводников на их боковые стенки.
Из гальванического рыхлого легко окислямого сплава SnPb получа-
ется металлургический сплав. Поэтому оплавленное покрытие име-
ет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с неоплавленным
(гальваническим). Оплавление превращает губчатую поверхность
в гладкую блестящую, облуживает боковые стенки проводников,
улучшает способности к пайке после длительного (более года) хра-
нения; устраняет «навес» металла на кромках проводников.
Оплавление осуществляют либо погружением в теплоноситель,
либо воздействием инфракрасного нагрева.
В первом случае в качестве теплоносителя применяют негорю-
чие жидкости, обладающие устойчивостью при температурах
22О...24О°С. Оплавление обычно производят погружением на
15 с в нагретый до 230±10°С теплоноситель. Но, как бы ни были на-
гревостойки эти жидкости, они постепенно разлагаются, создавая
трудно удаляемые загрязнения поверхности печатных плат.
Оплавление в инфракрасных лучах так же не лишено серьезных
недостатков: ИК-лучи в силу избирательности воздействия интен-
сивно поглощаются диэлектрическим основанием и в меньшей сте-
пени — металлическими поверхностями Кроме того, им свойстве-
нен краевой эффект: края платы нагреваются более интенсивно, чем
середина. Возникает сильный перегрев, если не предпринимать до-
полнительные меры путем использования соответствующей оснаст-
ки, отводящей тепло с краев платы.
ИК-оплавлению предшествует флюсование в спиртоканифоль-
ном флюсе или в растворе, содержащем (масс, доли): олеиновую
кислоту — 20, этиловый спирт —35, продукт ОС-20 — 40. Вязкость
флюса по ВЗ-4 равна 12... 15 с. Раствор приготавливают смешением
олеиновой кислоты со спиртом, нагреванием смеси и последующим
введением в нее при помешивании продукта ОС-20. Флюс наносят
окунанием и подсушивают на воздухе в течение 3...5 мин. Продукт
ОС-20 по истечении нескольких дней употребления флюса выпада-
ет в осадок, поэтому периодически флюс необходимо прогревать для
растворения этого продукта.
В установках для ИК-оплавления скорость конвейера меняют
для изменения продолжительности облучения плат различной тол-
щины. Так, для плат толщиной 1,0 мм скорость конвейера
1,2...1,3 м/мин, а для плат толщиной 2,0 мм — 1,0...1,1 м/мин.
Для защиты плат от коробления применяют рамки, в которые
вставляются платы перед укладкой их на конвейере.
После оплавления спирто-канифольный флюс смывают в спир-
то-бензиновой смеси, олеиновый — в теплой воде (5О...55°С) в тече-
ние 5... 10 мин или в водных растворах технических моющих средств.
Качество отмывки водорастворимых флюсов и жидких теплоно-
сителей можно значительно повысить, используя ультразвук.
Следует обратить внимание на то, что толщина оловянно-свин-
цового покрытия на платах должна быть не более 15 мкм. В против-
ном случае образуются наплывы металла в отверстиях, каплеобразо-
вание и другие дефекты. Отсутствие осветления после травления,
повышенное содержание свинца, а также присутствие меди затруд-
няют операции оплавления.
3.8.3.3. Электролит оловянирования
В современных конструкциях печатных плат использование па-
яльной маски стало настолько обязательным, что соответствую-
щая ей последовательность процессов стала стандартной: удале-
ние металлорезиста до обнажения меди, подготовка поверхности
меди, нанесение паяльной маски, нанесение финишного покры-
тия под пайку на монтажные элементы, открытые в паяльной ма-
ске. Оставлять под маской металлорезисты, способные подплав-
ляться при групповом нагреве в процессе пайке, недопустимо:
под маской образуются полости, маска морщится. Это не только
портит внешний вид плат, маска перестает выполнять защитные
функции.
В связи с этим целесообразно использовать дешевые одноком-
понентные металлорезисты, в частности олово.
Для покрытия оловом можно рекомендовать следующие элект-
ролиты.
1. Сульфатный электролит, содержащий, г/л:
олово сернокислое 40...60;
кислоту серную 50...80;
натрий сернокислый 30...50;
препарат ОС-20 2...5.
Электролиз проводят при температуре электролита 18...25°С
и катодной плотности тока 1...2 А/дм2.
2. Фторборатный электролит, содержащий, г/л:
Фторборат олова 180...200;
Кислоту борфтористую 45...60;
Кислоту борную 25...30;
Ингибитор И1-Е 2...3.
При активном перемешивании электролита процесс можно про-
водить при катодной плотности тока до 10 А/дм2, температуре элек-
тролита 18„.35°С.
Удаление оловянного покрытия можно осуществить химичес-
ким способом при температуре 15...25°С в следующих растворах.
Раствор № 1:
соляная кислота 1 л;
окись сурьмы 12 г;
вода 125 мл.
Раствор № 2:
соляная кислота 20...40 г/л;
железо хлорное 160... 180 г/л;
кислота уксусная 100...120 г/л;
кислота щавелевая 50...70 г/л.
3.8.4. Финишные покрытия
По сложившейся терминологии финишными покрытиями называ-
ют покрытия монтажных элементов под пайку. Значит, они должны
хорошо смачиваться припоем, долго сохранять паяемость, не отсла-
иваться в течение длительного времени эксплуатации. В силу того,
что финишные покрытия предназначаются для пайки, выполнять
роль контактных покрытий они не обязаны. Некоторые из них (им-
мерсионное золото, например) могут выполнять роль покрытий для
прижимных контактов, но не более. Износостойкость их не контро-
лируется.
Большое разнообразие финишных покрытий говорит об отсут-
ствии выбора в пользу какого-либо одного-двух, удовлетворяющих
всем требованиям по стоимости, смачиваемости, долговременности
и т.д. Перечень их широк: OSP (Organic Solderability Preservative),
NiAu (ENIG — Electroless Ni & Immersion Gold — химический никель
и иммерсионное золото), ImAg (Immersion Ag), ImBi (Immersion Bi),
Pd (Electroplate or Electroless Pd - химический или гальванический
палладий), NiPd (Electroless Ni & Immersion Pd), NiPdAu (Electroless
NiPd & Immersion Au), ImSn (Immercion Sn), NiSn (Electroplate
Ni&Sn), SnAg (Electroplate Sn&Ag) and HALS (Hot-Air Solder
Leveling). В этом широком ряду лидирующими покрытиями печат-
ных плат являются OSP, ENIG, ImAg, ImSn и HASL.
3.8.4.1. Горячее облуживание
HASL-процесс горячего облуживания плат состоит в погружении
плат на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем.
Во время быстрой выемки плат их обдувают струи горячего воздуха,
которые сдувают излишки припоя и выравнивают покрытие
(рис. 3.15). Но наплывы припоя неизбежно остаются, особенно мно-
го их на развитых металлических поверхностях. В последующей
сборке наплывы мешают установке мелких компонентов, что огра-
ничивает применение HASL. Но с точки зрения качества покрытия,
его исключительной способности к пайке ему нет равных. Поэтому
там, где изготовление плат и сборка происходят в одном производ-
стве, находят компромиссы, чтобы использовать HASL.
Еще один существенный недостаток HASL — жесткий термо-
удар, который испытывают платы при погружении в расплавленный
припой. И чем выше рабочая температура припоя, тем серьезнее
проблема обеспечения надежности соединений. Ряд предприятий
Расплавленный
припой
Погружение
Воздушный нож
Извлечение
Воздушный нож
Рис. 3.15. Схема процесса горячего
облуживания HASL.
не используют HASL для много-
слойных плат, считая, что они
уменьшают надежность внут-
ренних межсоединений в МПП
от таких термоударов.
Популярным и простым рас-
плавом для лужения является лег-
коплавкий сплав Розе (олово —
25%, свинец — 25%, висмут —
50%), температура плавления ко-
торого 93°С, а рабочая температура — 140°С. Плату при помощи щипцов
декапируют погружением в легкий раствор соляной кислоты и затем по-
гружают в расплав на 5... 10 с. Потом проверяют, все ли медные поверх-
ности равномерно покрыты. При необходмости операцию повторяют.
Сразу же после изъятия плат из расплава его удаляют ракилем с по-
верхности платы, либо резким встряхиванием в направлении, перпен-
дикулярном плоскости платы, сбивают натеки сплава. Для предотвра-
щения окисления горячий расплав защищают глицерином, так, чтобы
его уровень покрывал расплав на 10 мм. После операции облуживания
плата отмывается от глицерина в проточной горячей воде.
Процесс лужения сплавом Розе противопоказан для ответствен-
ных изделий. Это вызвано накоплением Cl-ионов в глицерине над
расплавом. При остывании после облуживания поры платы всасы-
вают поверхностную пленку глицерина в свой объем, и удалить его
при последующей отмывке очень трудно.
3.8.4.2. Покрытие ингибирующими органическими
покрытиями
Органическое покрытие OSP обеспечивает защиту медной поверхно-
сти от окисления в процессе хранения и пайки. В конце пайки этот
слой, выполнив свою функцию, теряет способность обеспечить по-
следующие процессы пайки. OSP — хорошая альтернатива HASL.
Существуют два наиболее распространенных способа защитной
обработки поверхности меди: бензотриазолами и имидазолами.
При этом оба класса веществ взаимодействуют исключительно с медью
и не адсорбируются на защитной паяльной маске или диэлектрике.
FastwelCS^’
Бензотриазолы образуют с медью мономолекулярный слой,
не выдерживающий высокотемпературных воздействий, и потому
в основном применяются как покрытия, временно защищающие
медь от окисления. Они могут использоваться в процессе изготовле-
ния печатных плат для защиты меди от окисления, например после
операции химического меднения перед нанесением рисунка.
Имидазолы же образуют с медью более толстые и стойкие мед-
но-органические покрытия, которые в процессе пайки со слабоак-
тивным флюсом или паяльной пастой полностью разрушаются, со-
здавая возможность припою смачивать активированную поверх-
ность чистой меди.
OSP готовят иа основе водного раствора алкилимидазола. Про-
цесс состоит из подготовки поверхности и нанесения покрытия при
температуре около 40°С в течение 40...50 с.
OSP имеет короткий жизненный цикл, что негативно сказывает-
ся на технологической надежности, не обеспечивает многократную
пайку, тем более при высоких температурах. Чтобы избежать этих за-
труднений, приходится использовать нейтральную среду (азот) пай-
ки. В Японии это дешевое покрытие используется больше 20 лет.
Но, чтобы процесс пайки проходил в одну стадию группового нагре-
ва, японские конструкторы изделий учитывают эту их особенность
в целях снижения себестоимости процесса в массовом производстве.
3.8.4.3. Иммерсионное золочение
Свойства покрытия иммерсионным золотом
ENIG (—4 мкм Ni -I—0,1 мкм Au) — другая альтернатива HASL-
процессам. Это покрытие свободно от ионных загрязнений, способ-
но к многократной пайке при высоких температурах, так как тонкий
слой золота защищает никель от окисления, а никель — барьер, пре-
дотвращающий взаимную диффузию золота и меди. Характерный
для ENIG дефект — черные контактные площадки, случающиеся из-
за выделения на поверхность никеля фосфора, присутствующего
в химическом процессе его восстановления. Во время пайки золото
растворяется в припое и обнажает плохо паяемый слой фосфора.
Припой скатывается с поверхности фосфора, в чем и проявляется
эффект черной контактной площадки. Черные контактные площад-
Faslwel у у
ки могут возникать также при передержке процесса пайки, интенси-
фицирующей образование интерметалдидов олова с никелем и оло-
ва с фосфором, внедренным в никель. Выделение фосфора на по-
верхности никеля может вызвать также процесс золочения. Осажде-
ние защитного покрытия золотом из нейтральных электролитов
уменьшает вероятность этих явлений.
ENIG капризен в выборе флюсов, его цена примерно на 25% вы-
ше, чем у OSP. Преимущества ENIG: жизнеспособность более года,
плоская контактная поверхность, хорошая смачиваемость припоем
при правильном подборе флюса, неокисляемая поверхность для
контактирования (нажимные и скользящие контакты).
Существо иммерсионных процессов
Иммерсионные процессы — контактное восстановление металлов
из их растворов на электроотрицательных поверхностях. Происходит
реакция замещения металла основы на металл из раствора, как это
бывает с железным гвоздем, погруженным в медный купорос: гвоздь
покрывается медью. Название этого процесса произошло от англ.
immertion, что означает погружение. Действительно, для этого процес-
са достаточно погрузить деталь в раствор из менее электроотрицатель-
ного металла, чтобы начать процесс иммерсионного осаждения. После
образования плотной пленки процесс останавливается, поскольку
прекращается контактный обмен. Поэтому иммерсионные процессы
образуют принципиально тонкие покрытия — порядка десятых долей
микрона. Но и при такой толщине в осаждаемой пленке не может быть
непрокрытий, поскольку на них продолжится контактный процесс
восстановления, до того как поверхность основы не закроется.
Осаждение золота на электроотрицательную основу из таких
растворов протекает по различным механизмам: контактному выде-
лению золота и химическому восстановлению ионов золота гидра-
зином. Процесс идет двумя путями на электроотрицательной осно-
ве (меди) и на осажденном золоте. Контактное осаждение золота ос-
новано на обменной реакции:
2Au(CN)“ + Ni 2Au + Ni2+ + 4CN~
Осаждение золота при реагировании гидразина (вернее, его про-
изводных) на никельсодержащей основе (и частично на золоте) со-
провождается выделением газообразного азота.
I
Положительное влияние добавки лимонной кислоты на про-
цесс золочения связано с взаимодействием ее при повышенной
температуре с гидразином с образованием соответствующего гидра-
зида. Замена лимонной кислоты на неорганические кислоты, обыч-
но применяемые в растворах гальванического золочения, приводит
к потере каталитической активности золота. Наиболее эффективно
влияние добавки лимонной кислоты ощутимо только при опреде-
ленном соотношении содержаний кислоты и гидразин сульфата.
При реагировании гидразина (очевидно, в виде гидразида) на золо-
том покрытии процесс частично идет без сопутствующего выделе-
ния газа:
2Au(CN)2~ + N2H+ + 2Н2О -> 2Au + 2NH3OH+ + Н+ + 4CN".
Процесс золочения значительно ускоряется (примерно в пол-
тора раза) при введении в раствор присадки ионов железа (И),
а также некоторых других ионов, радиус которых близок к радиусу
ионов золота (I). Механизм их влияния объясняется изменением
ионной проводимости гидроксидно-цианидной пленки на поверх-
ности золота, формирующейся в ходе процесса. Замена в такой
пленке ионов золота (I) на ионы примесных металлов большей ва-
лентности увеличивает количество катионных вакансий, по кото-
ром диффундируют к реакционной поверхности ионы золота (I).
Процесс идет устойчивее, и в то же время такие присадки не вклю-
чаются в золотое покрытие, осаждаемое золото имеет чистоту
99,9%.
Процесс иммерсионного золочения заключается в нанесении
тонкого слоя золота (0,05...0,1 мкм) на химически осажденный слой
никель/фосфора (толщиной примерно 5 мкм). Такая комбинация из
слоев получается очень ровной.
Процессы и материалы иммерсионного золочения
Обезжиривание в кислых очистителях, не содержащих комплек-
сообразователей, чтобы не разрушать поверхность паяльной маски.
Микротравление меди в растворе на основе персульфатов, со-
здающем идеальную поверхность для хорошей поверхностной адге-
зии и прочного сцепления последующих слоев.
Обработка для катализации в палладиевом катализаторе для
процесса химического никелирования.
Химическое никелирование в растворе слабокислого состава,
который позволяет производить осаждение полуглянцевых устойчи-
вых к коррозии сплавов никель/фосфора с содержанием 8... 10% фо-
сфора.
Иммерсионное золочение в составе для иммерсионного золоче-
ния, г/л:
Золото (в виде дицианоаурата калия) 4,8;
Сернокислый гидразин 75;
Лимонная кислота 30;
Хлористый аммоний 80;
Железо (II) (в виде сульфата) 1;
Рн раствора 5,7...5,9;
Температура процесса 95± ГС.
С помощью этого раствора на никель можно осаждать тонкие слои
золота в 24 карата. Покрытие получается равномерным, мелкозернис-
тым и обладает очень незначительной пористостью. Максимальная
толщина осажденного слоя составляет примерно 0,1 мкм. Осажденные
слои хорошо паяются и пригодны для использования микросварки.
Толщины слоя достаточно, чтобы обеспечивать возможность пайки
и микросварки в течение длительного времени. Иммерсионное золото
паяется только при использовании ограниченного круга флюсов.
3.8.4.4. Иммерсионное оловянирование
Иммерсионное олово (ImSn) — еще одна альтернатива HASL-процес-
сам. Популярность ImSn растет за счет хорошей смачиваемости, ко-
торую он обеспечивает, и простоты процесса осаждения. ImSn де-
монстрирует лучшую паяемость, чем ENIG. Но существует два огра-
ничения для его применения: самопроизвольные нитевидные
кристаллические образования (whiskers — усы), которые могут при-
водить к КЗ, и образование интерметаллических соединений
CuxSnY. Поскольку толщина иммерсионного олова не превышает
1 мкм и CuxSnY быстро поглощает этот тонкий слой, способность
к пайке исчезает. В последнее время возможность этого явления ус-
траняют введением барьерного подслоя различного содержания:
подслой из металлоорганики, исчезающий при пайке, крупнокрис-
таллические осаждения олова и др.
Перспектива использования ImSn состоит в низкой стоимости
процесса осаждения, хорошей паяемости, плоской поверхности по-
крытия (в отличие от HASL), хороших условиях для обеспечения
беспаянных соединений Press-Fit (впрессовывание штырей — хвос-
товиков разъемов в металлизированные отверстия плат).
Для иммерсионного оловянирования достаточно просто опус-
тить плату в водный раствор, содержащий хлорное олово. Выделе-
ние олова на поверхности медного покрытия происходит при погру-
жениии в такой раствор соли олова, в которой потенциал меди более
электроотрицателен, чем материал покрытия. Изменению потенци-
ала в нужном направлении способствует введение в раствор соли
олова комплексообразуещей добавки — тиокарбамида (тиомочеви-
ны), цианида щелочного металла.
Такого типа растворы имеют следующий состав, г/л.
Компоненты раствора 1 2 3 4 5
Двухлористое олово SnCl2 • 2Н2О 5,5 5...8 4 20 10
Тиокарбомид CS(NH2>2 50 35...50 - - -
Серная кислота H2SO4 - 30...40 - - -
KCN - - 50 - -
Винная кислота C^jHgOg 35 - - - -
NaOH - 6 - - -
Молочнокислый натрий - - - 200 -
Сернокислый алюминий- аммоний (алюмоаммонийные квасцы) - - - - 300
Температура, 'С 60...70 50 .60 18 .25 18...25 18..25
Среди вышеперечисленных наиболее распространены растворы № 1
и 2. Внимание! Раствор на основе цианистого калия чрезвычайно
ядовит.
Иногда в качестве поверхносто-активного вещества для раство-
ра №1 предлагается использовать моющее средство «Прогресс»
в количестве 1 мл/л. Добавление в раствор № 2 2...3 г/л нитрата ви-
смута приводит к осаждению сплава, содержащего до 1,5% висмута,
что улучшает пояемость покрытия и сохраняет ее в течение не-
скольких месяцев. Для консервации поверхности применяют аэро-
зольные распылители на основе флюсующих композиций. Нане-
сенный на поверхность заготовки консервирующий лак после вы-
сыхания образует прочную гладкую пленку, которая препятствует
окислению. Последующая пайка проходит прямо по обработанной
поверхности без дополнительного удаления лака. В особо ответст-
венных случаях пайки лак можно удалить спиртовым раствором.
3.8.4.5. Иммерсионное серебрение
Толщина иммерсионного серебра (ImAg) не превышает 200 нм, поэто-
му расходы на реализацию этого покрытия незначительны. Жизнеспо-
собность ImAg гораздо длительнее, чем OSP, но несколько меньше, чем
ENIG. Пожелтение покрытия в процессе хранения, сборки и пайки —
результат загрязнения воздушной среды сульфатами, хлоридами. По-
желтение не сказывается на свойствах ImAg , но его декоративность
страдает. Консервирующие покрытия антиокислителями тормозят
процесс пожелтения и продлевают жизнеспособность покрытия.
3.9. Контактные покрытия
Разъемные электрические соединения, образованные концевыми пе-
чатными контактами с розетками соединителей, в соответствии со
своим назначением должны иметь высокую поверхностную проводи-
мость в условиях воздействия агрессивных компонентов промышлен-
ной атмосферы и среды обитания людей, отличающейся относительно
высоким содержанием аммиака и его соединений, сернистых соедине-
ний, жирового аэрозоля и др., обладать устойчивостью к многократ-
ным сочленениям-расчленениям, паяемостью (если контактное по-
крытие служит одновременно общим покрытием печатных элемен-
тов). Основные проблемы в выборе контактных покрытий состоят
в обеспечении надежности контактов, которые должны одинаково хо-
рошо работать в условиях как малых (цепи межсхемных соединений),
так и больших (цепи питания) токовых нагрузок.
3.9.1. Контактирование в слаботочных цепях
Развитие электронной техники привело к снижению коммутируемых
контактами нагрузок, а миниатюризация — к уменьшению контакт-
ных давлений, к переходу от притирающихся разъемных соединений
к нажимным (в соединителях с нулевым усилием сочленения), ком-
мутирующим нагрузки от «сухих» до долей ампера, при напряжениях
от микровольт до нескольких вольт, при малых усилиях нажатия,
приходящихся на один контакт. Характерными особенностями ре-
жима работы концевых печатных контактов являются длительное за-
мкнутое состояние с кратковременными перерывами и единичные
включения с длительными перерывами (хранение в ЗИПе).
Электрическое сопротивление контакта при очень малых на-
грузках значительно больше, чем при больших, и более критично
к изменению тока в контактной цепи. Кроме того, при малых на-
грузках всегда имеется вероятность сбоев, т. е. самовосстанавливаю-
щихся отказов, возникающих случайно.
Цепи с малыми токами, как правило, являются высокоомными
и не критичны к величине электрического сопротивления контакта,
однако устойчивые тенденции к увеличению этого сопротивления
могут служить признаком наступающего отказа.
Нагрузки в цепи контактов определяют механизм контактирова-
ния. Пассивные («сухие») нагрузки характеризуются такими уровня-
ми тока и напряжения, что не могут создать условия пробоя поверх-
ностных пленок. Проводимость контакта в таком случае может осу-
ществляться только через контактные пятна, созданные силой,
прижимающей контакты друг к другу. Механизм проводимости кон-
такта при этом металлический или туннельный.
Активные нагрузки характеризуются такими уровнями токов
и напряжений, которые создают проводящие участки контакта.
При этих нагрузках основным механизмом образования контакта
является электрический пробой — фриттинг, благодаря которому
пробиваются загрязняющие слои и расширяются уже имеющиеся
проводящие.
Границей между пассивными и активными нагрузками является
напряжение фриттинга, минимальное значение которого равно до-
лям вольта при напряженности поля более 107 В/м.
3.9.2. Свойства контактных покрытий
Основное влияние на надежность слаботочных контактов оказывает
состояние их поверхности. Поэтому при выборе покрытия контак-
тов следует принимать во внимание способность к образованию
окисных, сульфидных и сульфатных пленок, обусловленных нали-
чием в атмосфере городов и помещений с людьми относительно
больших концентраций окислов серы, сероводорода, аммиачных со-
единений и влаги. Свойства материалов для контактных покрытий
приведены в табл. 3.9.
Таблица 3.9. Свойства контактных покрытий
Вид покрытия Свойства окисной пленки
Золото и его сплавы с высоким содержанием золота Тонкая окисная пленка на поверхности золота не препятствует надежному контактированию при наименьших контактных нажатиях (0,01...0,3 Н), усилиях сочленения до 0,1 Н, напряжениях менее 0,5 В и микротоках
Палладий, платина, иридий, родий, рений и другие металлы платиновой группы, сплав палладий-никель Образуют относительно тонкую окисную пленку, требуют небольших контактных давлений (0.1 ...1 Н), усилий сочленения (0,2 ...2 Н) для осуществления надежного контакта в цепях с низким напряжением и микротоками. Сульфидные пленки на поверхности палладия обладают высокой проводимостью и поэтому не вызывают отказов в контактах
Серебро и его сплавы с высоким содержанием серебра Имеют склонность к образованию окисных, сульфатных и сульфидных пленок, требующих больших контактных усилий продавливания (0,15 Н) или напряжений в цепи контакта для пробоя пленок. Требуют периодической зачистки контактов и больших усилий сочленения
Никель, олово и их сплавы Образуют толстую (у никеля твердую) окисную пленку. Для осуществления контакта требуется значительное контактное нажатие
Благодаря особым свойствам в качестве контактных материалов
чаще всего используются золото, палладий, серебро, олово и всевоз-
можные сплавы этих металлов (золото—кобальт, золото—платина,
палладий—никель, олово—никель и т. п.).
3.9.2.1. Золото и его сплавы
Золочение контактов — самый надежный способ обеспечения на-
дежности разъемного соединения. Износостойкость золотого по-
крытия прямо зависит от толщины слоя золота и твердости мате-
риалов, из которых состоят контакты ответной части соедините-
ля. Наибольший срок службы сопряженных контактов разъема
Г * | К0нтрактн0Е производство
QSTV компоненты, ПП, сборка, тест
обычно достигается выбором двух материалов, имеющих различ-
ную твердость. Так как контакты разъема покрываются твердым
золотом, концевые печатные контакты должны быть покрыты от-
носительно мягким золотом. Другим аргументом в пользу мягко-
го золота является то, что оно более стойко к атмосферным воз-
действиям, видимо, потому, что оно не загрязнено никакими при-
садочными металлами. Опасения относительно повышенного
износа мягкого контактного покрытия не оправданы, поскольку
плата сочленяется с соединителем (разъемом) аппаратуры и из-
влекается из него всего лишь несколько раз за весь период экс-
плуатации. Для покрытия контактов разъема целесообразно ис-
пользовать твердое золото для улучшения износостойкости их по-
верхности.
Твердое золото представляет собой сплав с такими металлами,
как кобальт (до 1%), никель, индий (примерно 3%). Твердость по
Виккерсу для твердого золота лежит в пределах 1400...2400 Н/мм2,
в то время как твердость мягкого золота составляет
600...800 Н/мм2.
3.9.2.2. Палладии
Палладиевые покрытия имеют меньшую пористость и большую из-
носостойкость по сравнению с золотыми, что позволяет снизить
толщину покрытия. Недостатками их являются способность катали-
зировать деструкцию органических соединений и малая стойкость
в средах, загрязненных газообразными выделениями полимерных
материалов. Продукты полимеризации представляют собой тонкие,
прозрачные пленки на контактной поверхности.
3.9.2.3. Серебро и его сплавы
Серебряные покрытия со временем тускнеют, а затем чернеют из-
за образования пленок — продуктов окисления и сульфидизации.
При длительном хранении контактные поверхности из серебра
пассивируются. Эти пленки при контактировании могут быть раз-
рушены только в цепях с большими напряжениями и токами. По-
этому для переключения малых токов использование серебра неце-
лесообразно.
www.fastwel.ru
rOSTWGI тел.: (095) 234-06-39
3.9.2.4. Олово
Олово относится к дешевым материалам, но из-за низкой износо-
стойкости применяется в аппаратуре, где число сочленений-расчле-
нений не превышает 50. Следует учитывать способность олова к об-
разованию нитевидных кристаллов, способных вызвать короткое за-
мыкание.
3.9.2.5. Другие контактные покрытия
В высоконадежной микроэлектронной аппаратуре в качестве кон-
тактных покрытий начинают применять гальванический сплав пал-
ладий-никель, имеющий заметные преимущества перед покрытия-
ми чистым золотом и палладием.
3.9.2.6. Подслои
Надежность концевых печатных контактов ограничивается кор-
розией основы через поры контактных покрытий и диффузией
основного металла через тонкий слой контактного покрытия. Ес-
ли подслоем контактного покрытия из золота или палладия слу-
жат медь или серебро, коррозия начинается в порах покрытия при
воздействии сульфатов, сульфидов и оксидов. Ее продукты рас-
ползаются по поверхности контактного покрытая и вызывают по-
вышение контактного электрического сопротивления, т. е. ухуд-
шение контакта вплоть до полного разрыва электрической цепи.
Поэтому между медью и контактным покрытием наносят барьер-
ный слой никеля, устойчивого к воздействию сероводорода. На-
несение подслоя никеля способствует выглаживанию поверхнос-
ти, что тоже способствует снижению пористости контактного по-
крытия.
Практикой установлены следующие сочетания контактных по-
крытий:
твердое золочение. 1...3 мкм по подслою никеля (4...6 мкм) или
2...4 мкм по меди;
мягкое золочение: 0,5...2 мкм по подслою никеля (3...4 мкм) или
1,5 ...4 мкм по меди;
палладирование: 2...3 мкм по подслою никеля (4...6 мкм).
3.9.2.7. Электролиты для осаждения
контактных покрытий
Электролит золочения, г/л:
золото металлическое в виде дицианоаурата калия
кислота лимонная
сульфат кобальта (или никеля)
величина pH
температура электролита
катодная плотность тока
аноды
4...5;
30...50;
2...3,5;
3,8...4.2;
18...30°С;
0,5...1,0 А/дм2’
платиниро-
ванный титан.
Электролит периодически продувается азотом для вытесне-
ния растворенного кислорода, который, восстанавливаясь на
аноде, снижает выход по току. Скорость осаждения золота 1 мкм
за 7 мин. Первые 5... 10 с работы рекомендуется «толчок тока»
1...1,5 А/дм2.
Электролит палладирования, г/л:
палладий хлористый
аммоний хлористый
аммиак водный 25%-ный (мл/л)
малеиновый ангидрид
температура электролита
катодная плотность тока
аноды
18...25;
15;
2...5;
0,15;
18...25°С;
0,8... 1,0 А/дм2;
платинированный титан,
палладий.
Скорость осаждения 1 мкм за 4 мин при DK = 1 А/дм2. Палладий
частично растворяется, и расход палладиевых анодов составляет до
10%. Эго необходимо учитывать при ведении процесса.
Электролит серебрения, г/л:
Дицианоаргентат калия (в пересчете на металл) 40...50;
калий роданистый 200...250;
калий углекислый 20...30;
Температура электролита 18...25°С;
Катодная плотность тока 0,8...1,5 А/дм2;
Аноды серебро.
Дицианоаргентат применяется в виде готового продукта.
Fdstwel
3.10. Оборудование
для металлизации печатных плат
В электронной промышленности используют гальванические уста-
новки, работающие автоматически или полуавтоматически и со-
ставляющие часть большой технологической линии. В линиях с ав-
тооператорами подлежащие гальванизации заготовки, закреплен-
ные на специальных подвесках, автоматически проходят
многочисленные технологические операции (рис. 3.16).
3.10.1. Интенсификация (агитация) процессов
В оборудовании гальванической металлизации решается главная за-
дача — интенсификация процессов обмена электролита в глубоких
и глухих отверстиях. Для этого в дополнение к покачиванию и бар-
ботажу используются вибраторы, располагающиеся по краю шли по
центру катодных штанг. Вибрация освобождает тонкие отверстия от
Рис. 3.16. Фрагмент линии гальванической металлизации.
пузырьков воздуха и способствует интенсивному обмену раствора
в отверстиях. Для металлизации глубоких отверстий в электролитах
с выравнивающими добавками вибрация позволяет увеличить плот-
ность тока с 0,5 до 2,5 А/дм2, за счет чего увеличивается производи-
тельность процесса.
Кроме вышеперечисленного, следует оценивать системы пере-
мешивания растворов, электродные штанги для крепления подве-
сок, их жесткость для передачи усилий на покачивание заготовок
в растворах. Чтобы улучшить обмен электролита в тонких отверсти-
ях и избавиться от эффекта «парусности», используется покачива-
ние с захватом заготовки не только сверху (как обычно), но и снизу.
3.10.2. Автооператоры
В больших гальванических линиях используются автооператоры,
перемещающие заготовки по заданной программе. Различают ли-
нии с тельферными (рис. 3.17),
Рис. 3.17. Тельферный автооператор.
портальными (рис. 3.18) и кон-
сольными (рйс. 3.19) автоопе-
раторами.
Тельферный автооператор
перемещается по монорельсу,
закрепленному на потолочном
перекрытии. Такое крепление
обеспечивает большую грузо-
подъемность (до 2 т), доступ
к ваннам открыт с двух сторон.
К недостаткам автооператоров
этого типа следует отнести не-
достаточную жесткость конст-
рукции, неудобство монтажа
и обслуживания, трудность по-
зиционирования подвесок,
громоздкость металлоконст-
рукций.
Автооператор портального
типа применяют в помещениях
с низкими потолочными пере-
крытиями, с большими пролета-
ми над ваннами и с массой
транспортируемых изделий
больше 2 т. Один такой автоопе-
ратор может обслуживать две
линии: химическую и гальвани-
ческую, расположенные парал-
лельно. И это их большое пре-
имущество, так как каждый опе-
ратор составляет значительную
долю в цене линии.
Консольные (Г-образные)
автооператоры перемещаются
по направляющим, установлен-
ным сбоку ванн. Недостатки:
обслуживание только одной ли-
нии, ограниченная грузоподъ-
емность, ограниченность длины
консолей ограничивает ширину
ванн размером 1500 мм.
Ряд фирм предлагает гори-
зонтальные линии химической
обработки: очистки отверстий
от продуктов сверления, прямой
и электрохимической металли-
зации. В линиях используется
система принудительного про-
давливания рабочих растворов
в отверстия малого диаметра,
Рис. 3.19. Консольный автооператор.
за счет которой успешно метал-
лизируются сквозные и глухие
отверстия диаметром до 0,1 мм.
Предусмотрены системы автоматического дозирования технологи-
ческих растворов.
Конструкции вертикальных (погружных) линий, которые пред-
ставляет, например, фирма PAL-Galvaur, по-другому решают задачу
металлизации тонких отверстий. Они имеют лазерную систему пози-
ционирования операторов, более 300 вариантов технологических мар-
шрутов с возможностью программирования новых вариантов, им-
пульсные источники тока для уменьшения толщины металлизации на
поверхности платы, пластиковые защитные экраны для выравнивания
толщины металлизации по площади заготовки, специальные захваты
подвески снизу для устранения «парусности» тонких заготовок, руси-
фицированное программное обеспечение. В сочетании с использова-
нием химических концентратов фирмы J-Kem линии PAL-Galvaur
позволяют металлизировать сквозные и глухие отверстия диаметром
до 0,1 мм. В настоящее время в мире успешно работает более тысячи
единиц химико-гальванического оборудования PAL-Galvaur в произ-
водстве фирм «Эриксон» (Швеция), «Нокиа» (Финляндия), «Вольво»
(Швеция), «Сканиа» (Швеция) и др.
3.10.3. Электроды
Размещение электродов сказывается на распределении плотности
тока и, соответственно, на распределении толщины металлизации
по площади заготовки. Как правило, края заготовки обрастают ме-
таллом из-за краевого эффекта (рис. 3.20). Краевой эффект еще
больше усиливается, когда расположение заготовки (катода) непра-
вильно ориентировано относительно анода и объема ванны
(рис. 3.21).
Для обеспечения равномерности покрытия по площади заготов-
ки в состав линий вводятся экраны: непроводящие экраны
(рис. 3.22), проводящие экраны (рис. 3.23), проволочные экраны
(рис. 3.24).
Рис. 3.20. Силовые линии тока
в ванне металлизации без экранов.
Конструкции анодов — тра-
диционные: пластинчатые или
корзинные. Для электролитов
меднения используют меднофос-
фористые аноды марки АМФ,
содержащие от 0,07 до 0,1% фос-
фора, растворяющиеся более
равномерно без шламообразова-
ния. При более высоком содер-
жании фосфора (0,13%) на аноде
б
Рис. 3.21. Несимметричное расположение катода в ванне: а — катод высоко
подвешен, б — ванна слишком глубока.
образуется пассивная пленка почти черного цвета, при малом его со-
держании (менее 0,07%) образующиеся при растворении одновалент-
ные ионы меди не связываются фосфором с образованием Си3Р,
а в результате реакции 2Си+ -> Си0 + Си2+ частицы меди образуют
шламы, которые, включаясь в состав покрытия, создают шерохова-
тость слоя меди. Отмечается, что при горячей прокатке металла мар-
ки АМФ поверхностный слой вследствие выгорания фосфора обед-
нен им, поэтому рекомендуется новые аноды выдержать в растворе
персульфата аммония 20...30 мин
для растворения наружного слоя
толщиной 40...50 мкм. Для ста-
билизации анодного процесса
желательно иметь большую
анодную поверхность, в два-три
раза превосходящую катодную,
не изменяющуюся при длитель-
ной эксплуатации ванн.
Это достигается заменой
пластинчатых анодов на кор-
Рис. 3.22. Распределение силовых
линий с непроводящими экранами.
Рис. 3.23. Распределение силовых
линий с проводящими экранами.
Рис. 3.24. Распределение силовых
линий с проволочными экранами.
зинчатые кассеты из титана, которые заполняются шариками или
кусочками металла АМФ, нарубленными простейшим штампом.
Кассеты из титана помещаются в мешки из хлориновой ткани, за-
щищающей электролит от загрязнения шламом.
3.10.4. Конструкции ванн
Корпуса гальванических ванн во избежание утечек тока устанавлива-
ют на изолирующие опоры. Для уменьшения потерь тепла стенки
ванн изолируют минеральной ватой. Если для конструкций ванн ис-
пользуют металлы (углеродистая сталь, коррозионно-стойкая сталь,
титан), их изолируют непроводящим материалом. Для металлизации
печатных плат такие конструкции неприемлемы из-за неблагоприят-
ного распределения тока по поверхности заготовки (рис. 3.22).
В последнее время освоена технология футеровки ванн тефлоном
(отечественное название политетрафторэтилена — фторопласт) — ис-
ключительным по химическим, физическим, механическим, и в пер-
вую очередь по теЛлостойкостиматериалам. Из всех разновидностей
фторопластов наиболее технологичен (формуется в листы, сварива-
ется, склеивается) фторопласт Ф-2М (дихлордифторэтилен). Фторо-
пласт Ф-2М выдерживает такие агрессивные среды, как минераль-
ные кислоты (за исключением дымящейся серной кислоты), концен-
трированные щелочи, галогены, углеводороды при температурах от
20 до 130°С. Рабочие температуры конструкций из фторопласта
Ф-2М от —70 до 140°С. Листы из этого фторопласта сваривают газо-
вой горелкой с использованием присадочного прутка.
г--^.1 www.fastwel.ru
rOSTWGI тел.: (095) 234-06-39
В производстве печатных плат наиболее целесообразны конст-
рукции гальванических ванн из листовых полимеров: винипласта,
полипропилена, фторопласта, пентапласта. Наиболее распростра-
нен благодаря своей доступности и технологичности винипласт (по-
ливинилхлорид). Он хорошо сваривается струей горячего воздуха
(22О...26О°С) присадочным винипластовым прутком. Из винипласта
изготавливаются все ванны, содержимое которых не подвергаются
нагреву до температуры более чем 60°С. Для более теплонагружен-
ных конструкций используется полипропилен, который выдержива-
ет температуру до 90°С. Пентапласт можно использовать для конст-
рукций, которые должны выдерживать температуру до 120°С. Неза-
служенно мало используется листовой полиэтилен. Необходимо
только различать его разновидности. Полиэтилен высокого давле-
ния (ПЭВ) имеет температуру размягчения 80°С , низкого давления
(ПЭН) — 95°С и может использоваться для футеровки ванн для «го-
рячих» процессов. Использование в конструкциях ванн листовых
диэлектриков более благоприятно сказывается на распределение то-
ка в объеме ванн (рис. 3.22а). Если следовать дальнейшей логике со-
здания ванн из листовых диэлектриков, то и обвязку ванн следует
выполнять из деревянных конструкций. Тем более, что дерево —
коррозионно-стойкий материал, от пропитки минеральными веще-
ствами оно только наращивает прочность.
Следует иметь в виду, что полимерные материалы требуют свое-
образного «вымачивания» рабочими растворами в течение двух не-
дель, чтобы они вошли в равновесное состояние сорбции с полиме-
ром. Для ванн из полипропилена это равновесное состояние насту-
пает через 35 суток [11].
3.10.5. Нагрев ванн
Для нагрева ванн можно использовать водяной пар, электронагрева-
тели, горячую воду. В качестве универсального и, самое главное, уп-
равляемого нагрева используются трубчатые электронагреватели
(ТЭН). Для нагрева вода, слабых растворов щелочей и кислот обо-
лочки ТЭНов изготавливают из меди, латуни, углеродистой или кор-
розионно-стойкой стали. Для обеспечения химической стойкости
а
Рис. 3.25. Распределение силовых линий в ваннах: а — с непроводящими
стенками; б — с металлическими футерованными стенками.
ТЭНы футеруют тефлоном. В отсутствие такой возможности прихо-
дится использовать ванну с водяной рубашкой, в которую погружа-
ются обычные ТЭНы. Но следует иметь в виду большую инерцион-
ность такой системы.
3.10.6. Источники тока
Для питания гальванических ванн используется постоянный ток.
Обычные выпрямители могут давать однополупериодные, двуполу-
периодные и трехфазные выпрямленные токи. Большие токи, свой-
ственные гальваническим процессам, трудно выровнять. Наиболь-
шие пульсации имкют однополупериодные выпрямители. Пульса-
ции тока неблагоприятно сказываются на качестве гальванических
осадков. Так, при коэффициенте пульсаций 40% покрытия стано-
вятся матовыми, износостойкость контактных покрытий заметно
снижается при пульсациях 20...25%. Для сглаживания пульсаций ис-
пользуются сглаживающие фильтры, большей частью на основе ин-
дуктивностей (дросселей на магнитных сердечниках).
Одним из эффективных способов интенсификации гальваниче-
ских процессов с одновременным улучшением качества покрытий
является реверсирование тока (изменение полярности). Осаждение
металлов при реверсировании тока может осуществляться при более
высокой рабочей плотности тока. Это обусловлено прежде всего вы-
равниванием концентрации катионов в прикатодном слое и во всем
г—www.fastwel.ru
rCSTWei тел.: (095) 234-06-39
3.10. Оборудование для металлизации печатных плат
Импульсный ток
Прямой ток
Импульсный ток
Обратный
Рис. 3.26. Схемы процессов осаждения и стравливания при реверсиро-
вании тока: а — процесс осаждения при прямом импульсе то-
ка; б — процесс преимущественного растворения внешнего
слоя при обратном импульсе тока.
объеме электролита в период анодной поляризации покрываемых
деталей, чему также способствует анодное растворение покрытия.
Таким образом, при реверсировании тока достигается улучшение
равномерности покрытия, уменьшение его пористости, улучшение
адгезии, снижение внутренних напряжений, наводораживания ос-
новы, повышение пластичности покрытия.
Периодичность перемены полярности реверсивного тока со-
ставляет 5...20 раз в минуту, длительность анодного периода для раз-
личных типов покрытий составляет от 5:1 до 10:1. Величины прямо-
го и обратного токов одинаковы.
Наиболее эффективное новшество в гальванических процес-
сах — импульсная металлизация, позволяющая не просто выровнять
толщину металлизации в отверстии и на поверхности, но и при оп-
ределенных режимах получить обратный эффект: толщина осажде-
ния на поверхности меньше, чем в отверстии, — при обратном токе
анодное растворение поверхности идет более интенсивно, чем в от-
верстии или углублении (рис. 3.26).
ГЛАВА 4
ОЧИСТКА
ПОВЕРХНОСТЕЙ
Очистка поверхностей печатных плат производится на всех стадиях
их изготовления. Очистка ПП перед лакированием — заключитель-
ная операция, ответственная за полноту удаления всех загрязнений,
сопровождающих производство ПП, хранение, сборку и пайку пе-
чатных узлов. Поэтому очистка должна удалять загрязнения всех
типов: остатки солей электролитов, травящих растворов, осветлите-
лей, масла, флюсы, активаторы флюсов, жировые отпечатки паль-
цев и загрязнения поверхностей из атмосферы (жировые загрязне-
ния, пыль, ворсинки, абразивные частицы).
Кроме того, композиционные материалы — основания печат-
ных плат обладают определенной влагопоглощаемостью — до 1%
и в процессе технологических обработок загрязняются веществами,
ухудшающими электроизоляционные характеристики печатных
плат в условиях повышенной влажности.
4.1. Понятия об очистке поверхностей
При обработке поверхностей печатных плат в жидких средах
(очистка химическими растворителями, травление, металлиза-
ция) должно происходить их смачивание, определяемое силами
сцепления жидкости и поверхности твердого тела. Хорошее сма-
чивание необходимо и в процессах, в которых осуществляется
взаимодействие жидкой среды с поверхностью: нанесение фото-
резистов, красок, лужение, пайка, прессование, нанесение паяль-
ных масок.
Стабильные результаты при смачивании поверхности жидкостью
можно получить только при наличии достаточно чистой поверхности
твердого тела. Поэтому тщательная очистка поверхности жидкими рас-
творами характерна для всех процессов изготовления печатных плат.
Существо процесса очистки состоит в активации поверхности,
т.е. в высвобождении межатомных и межмолекулярных поверхност-
FasfweltS
-— Вакуум
Свободные связи
поверхностных
атомов
Основной
материал
МЖ растворяет
и замещает
на поверхности
загрязнения
Основной
материал
Внешняя среда
Окисный слой
Основной
материал
Обрабатывающая
среда смачивает
обрабатывает ю
поверхность
Основной
материал
Рис. 4.1. Стадии очистки поверхности.
Моющая
жидкость (МЖ)
Смачивание
поверхности М
Основной
материал
Основной
материал
Обрабатывающая
среда диффу ндир\ет
в обрабатываемый
материал
ных сил от сцепления с поверхностными загрязнениями с возмож-
ностью использованиях для взаимодействия с нужными для техно-
логических процессов средами. При очистке происходит сложный
комплекс физико-химических процессов: смачивание очишаемой
поверхности моющей средой, диспергирование и сорбция частиц
загрязнений в моющей среде, предотвращение их обратного осаж-
дения на обрабатываемую поверхность. Поэтому, если рассматри-
вать физико-химическую сущность очистки, можно выделить не-
сколько стадий процесса, как показано на рис. 4.1.
1 стадия. Поверхность изначально как бы находится в вакууме,
ей нечем загрязняться. Даже если бьпона первоначально была за-
грязнена, в вакууме эти загрязнения испарились бы и обнажили не-
компенсированные межатомные связи. То, что не может испарить-
ся, поддается удалению вакуумными процессами очистки: холодной
плазмой, ионно-плазменным травлением и др. В космическом ваку-
уме активация поверхностей настолько глубока, что при их сопри-
косновении при легком сдавливании происходит холодная сварка.
2 стадия. В реальных условиях пребывания и атмосфере воздуха
поверхность получает загрязнения, а металлы еще и окисляются.
3 стадия. Моюшая жидкость смачивает поверхность, вытесняя
с нее загрязнения.
4 стадия. Моющая жидкость сорбирует загрязнения и удаляется
вместе с ними.
5 стадия. Обрабатывающая среда заимствует активированные
поверхностные связи и смачивает обрабатываемую поверхность.
6 стадия (необязательная). Обрабатывающая среда диффунди-
рует в объем обрабатываемого материала.
4.2. Происхождение
и классификация загрязнений
Разнообразие загрязнений и их источников делает востребованны-
ми множество приемов их удаления. Поэтому распознание загряз-
нения — первый залог успеха очистки поверхностей.
Источниками загрязнения печатных плат могут быть:
• процессы, связанные с воздействием технологических раство-
ров после травления рисунка;
• загрязнения руками, действующие сильней всех других взятых
в отдельности факторов;
• загрязнения из окружающей среды, особенно существен-
ные в атмосфере промышленных районов и жилых поме-
щений;
• загрязнения на операциях механической обработки;
• упаковочные материалы (известно, например, что бумага со-
держит сернистые соединения, отбеливатели, крахмал, кото-
рые могут служить источником загрязнений).
С особой тщательностью необходимо предохранять поверх-
ность плат и заготовок от загрязнений руками. Специально прове-
денными медицинскими исследованиями [14] определено, что вы-
деляемый сальными железами жировой секрет содержит значитель-
ные концентрации водорастворимых веществ:
Натрий хлористый, г/л 3,8 Глюкоза г/л 0.2
Мочевина, мг/л 550 Кислота уксусная и пропионовая, г/л 0.5
Натрий сернистый мг/л 25 Кислота мочевая, мг/л 30
Калий хлористый, мг/л 300 Кальций хлористый, мг/л 300
Конечно, это усредненные значения, индивидуальность людей
очень разнообразна. Как ни странно, у женщин, особенно у бере-
менных, активность сальных желез больше, чем у мужчин. Зато
у мужчин эти концентрации усиливаются после приема острой пи-
щи и горячительных напитков. В ряде случаев приходится отказы-
вать в приеме на работу или в допуске к работе персоналу с патоло-
гическими выделениями кожи.
В свое время при переходе на слаботочную электронную техни-
ку (от электровакуумных приборов к полупроводниковым микро-
схемам) выявился огромный поток отказов изоляции в электрон-
ной аппаратуре, вызванный остатками загрязнений руками. На ря-
де предприятий пришлось привлекать приемы дактилоскопии,
чтобы избавить персонал от вредных привычек работать без сте-
рильных перчаток. Особенность жирового секрета кожи человека
в том, что водорастворимые вещества находятся в жире. Водой они
не смываются, а если смывать их растворителями, на поверхности
останутся несмытые водорастворимые соли. А эффективные тех-
нологии очистки, избавленные от человеческого фактора, тогда
еще отсутствовали.
Кроме того, нужно знать, что при дыхании кроме углекислого
газа человек выдыхает еще большой ряд выделений, в том числе жи-
ровые. Для загрязнения поверхности много не надо, чтобы остано-
вить гетерогенные (поверхностные) реакции. Профессиональные
химики знают, что в любой ситуации гетерогенные процессы нужно
начинать с простейших, но обязательных процессов очистки по-
верхностей, которые они называют активацией или декапировани-
ем. Потому что любое технологическое воздействие среды на мате-
риал начинается с взаимодействия этой среды с поверхностью мате-
риала. Но для этого нужно освободить поверхность этого материала
от барьерного слоя загрязнений.
С точки зрения дальнейших процессов очистки загрязнения мо-
гут быть:
• неорганическими: водорастворимыми, слабо растворимыми
и нерастворимыми;
• органическими: полярными и неполярными, гидрофильными
и олеофильными.
Все они требуют индивидуального подхода к удалению, но об-
щее правило состоит в том, что они растворяются и удаляются
в родственных моющих средах. Например, жиры и минеральные
масла растворяются в бензине, канифоль — в спиртах.
Загрязнения органического происхождения, как правило, пред-
ставляют собой тонкую жировую пленку, покрывающую поверх-
ность сплошным слоем. Силами молекулярного взаимодействия
жировая пленка прочно удерживается на поверхности. Чем тоньше
пленка, тем труднее ее удалить.
4.3. Моющие среды
Выбрать наилучшие и просто удовлетворительные очищающие
средства довольно трудно, хотя существует много различных очис-
тителей. В отечественной промышленности используются главным
образом спирт, спирто-бензиновая и спирто-бензино-ацетоновая
смеси, алифатические и ароматические углеводороды, фреоны, де-
ионизированная вода, водные растворы поверхностно-активных
веществ.
4.3.1. Вода
Вода — наиболее универсальный растворитель благодаря большой
поляризации: диэлектрическая проницаемость воды ег = 81. Благо-
даря этому она растворяет большинство минеральных солей и ряд
полярных органических жидкостей, имеющих полярные группы:
—ОН, —NH3, —СООН и др. с не слишком большой молекулярной
массой. Из-за высокой диэлектрической проницаемости в воде
диссоциируют растворенные соли, благодаря чему большая часть
химических процессов проводится в водной среде.
Вода — слабый электролит, диссоциирующий по уравнению
Н2О -» Н+ + ОН-. Поэтому вода сама по себе и особенно ее соле-
вые растворы проводят электрический ток. Причем эта проводи-
мость сопровождается электрохимическими процессами на про-
водниках плат. Поэтому остатки воды и солей на поверхности
и в объеме плат — источники отказов электрической изоляции эле-
ктронной аппаратуры.
Вода в качестве моющей среды повсеместно используется
в технологических процессах. В сочетании с поверхностно-актив-
ными веществами она образует универсальное средство очистки
поверхностей.
4.3.2. Органические растворители
4.3.2.1. Введение
Растворителями называются легколетучие органические жидкости,
применяемые для растворения лаковой основы и способные улетучи-
ваться в процессе образования пленки. Жидкости, не растворяющие
пленкообразующие вещества самостоятельно, в отличие от раствори-
телей, называют разбавителями.
Назначение растворителя, как моющей жидкости, — перевести
загрязнения в раствор, с тем чтобы создать возможность дальнейшей
обработки очищаемой поверхности или нанесения на нее покрытия
одним из существующих способов: погружением, кистью или пульве-
ризацией.
Качество растворителей и разбавителей оказывает существенное
влияние на качество получаемой лаковой пленки, поэтому к ним
предъявляются требования, рассмотренные далее.
4.3.2.2. Избирательность растворяющей способности
Растворитель должен обладать хорошей растворяющей способнос-
тью по отношению к загрязнениям, для которых он используется,
т. е. полностью их растворять, но не вызывать разрушения очишаемой
поверхности: печатных плат, паяльной маски, маркировки. В зависи-
мости от материала основания используется соответствующий ему
растворитель или смесь растворителей, обладающая комплексом
необходимых свойств.
4.3.2.3. Оптимальная скорость испарения
Растворитель должен полностью улетучиваться во время процесса
сушки, не оставляя никакого остатка, способного ухудшить качест-
во очищаемой поверхности: создавать белесость, разрыхлять
поверхностный слой, насыщать приповерхностный слой, что
увеличивает время сушки, и т. п. Применение таких легколетучих
растворителей, как бензол, ацетон, и аналогичных из-за быстрого их
испарения из приповерхностного слоя и резкого ее охлаждения вызы-
вает побеление или потускнение поверхности вследствие конденса-
ции влаги из окружающего воздуха на ее поверхности.
гл.х4.л| www.fastwel.ru
rCISTWei тел.: (095) 234-06-39
Скорость испарения (летучесть) растворителя в значитель-
ной степени зависит от его температуры кипения. Растворители
обычно обладают высокой упругостью пара, а следовательно,
большой летучестью. Измерить упругость пара при нормальной
температуре сложно, поэтому чаще всего приводится температу-
ра, при которой упругость пара растворителя равна атмосферно-
му давлению, т. е. температура кипения данного растворителя.
Однако при температуре ниже температуры кипения скорость
испарения растворителя сильно зависит от степени ассоциации
его молекул, т. е. от его химической природы. Так, бутиловый
спирт, имеющий температуру кипения 114°С, испаряется при
температуре 20°С в 3 раза медленнее, чем ксилол, имеющий тем-
пературу кипения 140°С.
Летучесть растворителей определяют по времени испарения кап-
ли растворителя, нанесенной на фильтровальную бумагу. При этом за
единицу измерения принимают время испарения серного эфира
или ксилола.
По температуре кипения различают три группы растворителей:
1) низкокипящие — температура кипения ЗО...7О°С;
2) среднекипящие — 70... 110°С;
3) высококипящие — 11О...17О”С.
Чтобы судить о летучести смеси растворителей и лаков, следует
учитывать летучесть отдельных растворителей при обычной темпе-
ратуре. Более точно летучесть растворителей определяется по их по-
тере в массе при высыхании. Для воспроизведения таких опытов
необходимо строго соблюдать постоянство множества параметров:
температуры, скорости движения воздуха, площади поверхности ис-
парения и толщины слоя жидкости.
4.3.2.4. Минимальная токсичность
Все органические растворители, применяемые в производстве, яв-
ляются в той или иной степени токсичными, причем наиболее ток-
сичными являются ароматические углеводороды (особенно бен-
зол), хлорированные углеводороды и сложные эфиры. Наименее
токсичными являются алифатические углеводороды и терпены
(бензин, скипидар).
Пары растворителей вредны для здоровья, так как они действуют
как на органы дыхания, так и непосредственно на кожные покровы.
Летучесть растворителей является основным фактором, повышаю-
щим токсичность. Пары легколетучих растворителей всегда содер-
жатся в воздухе в больших концентрациях, чем пары менее летучих,
и поэтому они более опасны. В табл. 4.1 приведены данные по ток-
сичности наиболее распространенных растворителей.
4.3.2.5. Воспламеняемость и взрывоопасность
Почти все без исключения органические растворители являются ог-
не- и взрывоопасными. Взрывы происходят только при определенных
соотношениях паров растворителей и воздуха (кислорода).
Для каждого растворителя существуют определенные границы
концентрации паров в воздухе, в пределах которых может произойти
взрыв (табл. 4.1). Повышение температуры смеси вызывает расшире-
ние пределов взрыва.
Вспышка паров большинства растворителей при наличии
источника огня происходит при нормальной температуре, но воз-
можно также и самовоспламенение сх)еси паров растворителей
с воздухом (т. е. без наличия искры или других источников огня).
Температуры самовоспламенения различных растворителей при-
ведены в табл. 4.1.
При выборе растворителей и разбавителей следует учитывать их
действие на эмалевую изоляцию проводов. Поэтому для очистки плат
с изделиями, выполненными из провода с изоляцией из масляной
эмали, растворители должны содержать минимальное количество
ароматических растворителей; для проводов с винифлексовой изоля-
цией они не должны содержать спиртов и сложных эфиров. Аромати-
ческие растворители при длительном воздействии вызывают набуха-
ние и размягчение приповерхностного слоя платы. Наименьшее ак-
тивное действие оказывают на эмалевую изоляцию проводов
скипидар и бензин.
4.3.2.6. Основные типы растворителей
Характеристики наиболее распространенных растворителей приведе-
ны в табл. 4.1. Растворители делят на следующие основные группы:
нефтяные или алифатические углеводороды, ароматические углево-
дороды, терпены, спирты, сложные и простые эфиры, кетоны, хло-
рированные углеводороды и пр.
4.3.2.7. Нефтяные или алифатические углеводороды
Нефтяные углеводороды представляют собой продукты фракцион-
ной перегонки нефти. Химический состав нефти и ее фракций за-
висит от месторождения. В основном она состоит из смеси алифа-
тических углеводородов общего состава СпН2п+2- К нефтяным уг-
леводородам относятся бензины, уайт-спирит и керосин.
Бензин марки Б-70 и бензин «Калоша» применяются для раство-
рения жировых загрязнений.
Специально для очистки применяется сорт тяжелого бензина,
называемый уайт-спиритом, который обладает лучшей растворяю-
щей способностью по сравнению с простыми бензинами, так как со-
держит в своем составе некоторое количество ароматических углево-
дородов. Кроме того, он обладает более высокими температурами ки-
пения и вспышки и замедленной летучестью.
4.3.2.8. Ароматические углеводороды
К ароматическим углеводородам относятся продукты перегонки ка-
менноугольного дегтя, получаемого при коксовании угля, и продукты
пиролиза нефти. Растворители, применяемые для разбавления эпок-
сидной смолы при пропитке стеклотканей (бензол, толуол, ксилол
и сольвент), получаются при помощи повторной перегонки из пер-
вых двух фракций (легкого масла) каменноугольного дегтя Исход-
ным материалом для получения бензола является также газ, получае-
мый в процессе коксования угля.
Бензол (QH6) является хорошим растворителем для смол, но,
благодаря своей высокой летучести и токсичности, сегодня он по-
всюду заменяется толуолом.
Толуол (QH5CH3) менее летуч, чем бензол, имеет более высо-
кие температуры кипения и вспышки и по растворяющей способно-
сти к пленкообразующим веществам почти не уступает бензолу. Он яв-
ляется хорошим растворителем для большинства смол, не растворя-
ет сложные эфиры, целлюлозу, шеллак и копалы, но может
Fdstwe
применяться как разбавитель их растворов. Толуол используется в ка-
честве одного из основных растворителей в производстве электроизо-
ляционных лаков и эмалей
Ксилол (С6Н4(СН3)2) представляет собой еще менее летучую
жидкость, чем толуол, и имеет более высокие температуры вспышки
и кипения. По растворяющей способности уступает своим гомоло-
гам — бензолу и толуолу. Благодаря преимуществам в противопо-
жарном отношении и в отношении токсического действия на орга-
низм человека, ксилол с успехом применяется как растворитель для
большинства лаков.
Сольвент каменноугольный представляет собой смесь арома-
тических углеводородов с небольшим количеством нафтеновых
и парафиновых углеводородов, получаемых из остатков от очист-
ки и ректификации сырого бензола. Легкий сольвент (1 сорт) яв-
ляется растворителем для смол и масел и разбавителем для эфиров
целлюлозы. Тяжелый сольвент (2 сорт) является растворителем
для смол и лаков, но малопригоден для эфиров целлюлозы. В про-
изводстве электроизоляционных лаков находит применение вмес-
то ксилола.
4.3.2.9. Скипидары
Скипидар представляет собой бесцветную или слегка желтоватую
жидкость с характерным запахом. По химическому составу являет-
ся смесью углеводородов — терпенов, которые являются гидроге-
низированными производными цимола (С10Н10). Из терпенов в оте-
чественных сортах скипидаров преобладают а- и /?-пинен. Скипи-
дар получают из живицы путем отгонки (в остатке образуется
канифоль) при температуре, не превышающей 150°С, или непо-
средственно из сучьев и пней хвойных деревьев другими способами
(перегонкой с водяным паром, экстракцией и др.). Обычно скипи-
дар подвергают вторичной перегонке для получения более чистого
продукта.
Скипидар обладает способностью окисляться кислородом возду-
ха, образуя перекиси, ускоряя тем самым сушку лаковой пленки.
Скипидар обладает хорошей растворяющей способностью по отно-
шению к маслам, смолам, битумам и их композициям и поэтому на-
ходит применение наряду с такими растворителями, как уайт-спирит,
ксилол, сольвент, но выгодно отличается от последних, так как имеет
пониженную токсичность и не оказывает вредного воздействия на
эмалевую изоляцию проводов.
4.3.2.10. Спирты
Этиловый (винный) спирт — этанол (С2Н5ОН) представляет со-
бой прозрачную легкоподвижную горючую жидкость с характер-
ным всем известным запахом. Он образуется в результате брожения
сахарных или крахмалсодержащих веществ (картофеля, хлебных
злаков и др.). В последнее время организовано массовое производ-
ство этилового гидролизного спирта, получаемого из продуктов
химической переработки и последующего осахаривания древеси-
ны. Также известны и широко применяются синтетические мето-
ды получения этилового спирта из крекинг-газов, ацетилена
и природных газов. Спирт-сырец содержит в себе воду и сивушные
масла, а также тяжелые продукты брожения с характерным непри-
ятным запахом. Дальнейшей очисткой и повторной перегонкой
спирт-сырец превращают в ректификованный спирт с содержа-
нием алкоголя 94—96%.
Этиловый спирт хорошо смешивается с водой во всех соотно-
шениях и является хорошим растворителем для некоторых смол,
шеллака, бакелита, канифоли, но чаще применяется в смеси с аро-
матическими растворителями, в частности как разбавитель эфиров
целлюлозы.
Бутиловый спирт (С4Н9ОН), или бутанол, получается обычно
путем брожения крахмалистых веществ под влиянием микроба —
возбудителя брожения, а также синтетическим путем. Бутанол —
бесцветная жидкость с запахом спирта и сивушного масла, раство-
ряется в воде в соотношении 1:12, менее летуч и имеет более высо-
кую температуру кипения, чем этиловый спирт. Обладает хорошей
растворяющей способностью и применяется в смеси с другими рас-
творителями. Бутанол понижает вязкость растворов и улучшает каче-
ство отмывки.
Изопропиловый спирт ((СН3)2СНОН) - 2-пропанол, изопро-
панол — бесцветная жидкость с температурой кипения 82,4°С. Сво-
еобразен тем, что образует с водой азеотропную смесь с температу-
рой кипения 80,2°С при содержании 87,7%. Эта смесь способна
растворять органические (за счет содержания спирта) и неоргани-
ческие (за счет воды) загрязнения. Вероятно, поэтому за рубежом
изопропиловый спирт — самый распространенный компонент мо-
ющих жидкостей. Попытки использовать изопропиловый спирт
отечественного производства натолкнулись на большое содержа-
ние в нем растворенных загрязнений, остающихся на очищаемой
поверхности.
В промышленности изопропиловый спирт получают гидрата-
цией пропилена, и потому он относительно дешев. Температура са-
мовоспламенения 456°С, нижняя взрывоопасная концентрация
2,5%. Оказывает вредное влияние на центральную нервную систе-
му, токсичнее этанола в 2 раза
Спирты обладают уникальным свойством испаряться вместе
с растворенными в них загрязнениями. Это явление называется
азеотропностью, а соответствующие ему жидкости — азеотропны-
ми, т.е. нераздельнокипящими. Кстати, это свойство мешает полно-
му отделению азеотропной жидкости от загрязнений методами рек-
тификации (перегонки).
Свойство спиртов, и в частности этилового спирта, образовы-
вать азеотропные смеси предопределило их повсеместное исполь-
зование в технологиях электроники именно для очистки поверхно-
стей: растворенные в спирте загрязнения не остаются на поверхно-
сти при испарении спирта, а улетучиваются месте с ним.
В противоположность этому, например, бензин, растворив жиро-
вые или масляные загрязнения, после испарения оставляет на по-
верхности жировую пленку.
4.3.2.11. Сложные эфиры
(ацетаты)
К этой группе принадлежат растворители, получаемые путем син-
теза из органических кислот (преимущественно уксусной)
и спиртов. Применяются они главным образом в качестве рас-
творителей для эфиров целлюлозы. Их названия: этилацетат, бути-
лацетат, амилацетат. Для растворения и разбавления лаков из эфи-
ров целлюлозы, а также их композиций со смолами находят ши-
рокое применение смеси ацетатов со спиртами и ароматически-
ми растворителями.
4.3.2.12. Простые эфиры
Гликолевые эфиры являются растворителями эфироцеллюлозных,
поливинилацеталевых и других смол. Они нейтральны, не имеют за-
паха и хорошо смешиваются с другими растворителями. Из этих
эфиров этиленгликоля следует отметить моноэтиловый эфир эти-
ленгликоля (С2Н5ОС2Н4ОН), или этилцеллозольв.
Этот эфир смешивается с водой и углеводородами в любых со-
отношениях. Обладает хорошей растворяющей способностью и яв-
ляется хорошим растворителем для нитроцеллюлозы, полиэфирных
смол, эпоксидно-полиэфирных лаков и др.
4.3.2.13. Кетоны
Ацетон (СН3СОСН3) получается при сухой перегонке кальциевых
солей уксусной кислоты, брожении углеводов, а также из уксусной
кислоты. Ацетон весьма летуч, смешивается с водой во всех соотно-
шениях и является весьма активным растворителем для ряда пленко-
образующих веществ, в том числе для эфиров целлюлозы и многих
синтетических смол. В лаках ацетон применяется обычно в смеси
с другими более высококипящими растворителями.
4.3.2.14. Хлорированные
углеводороды
Дихлорэтан (С2Н4С12) получается при взаимодействии этилена
с хлором. Он представляет собой прозрачную бесцветную жидкость,
которая хорошо растворяет жиры и большинство смол. Как разбави-
тель, дихлорэтан применяется для эфиров целлюлозы в смеси со
спиртом. Трудно воспламеняется, пары его очень токсичны, по запа-
ху напоминает хлороформ.
Хлорбензол (С6Н5С1) получается хлорированием бензола в при-
сутствии железа или алюминия. Смешивается со многими раство-
рителями, растворяет эфиры целлюлозы и виниловые смолы.
n
b
о
ф
UI
ю
w
I
о
01
I
w
Ф
a
£
S'
(Л
?
n
Этиловый спирт-сырец (88%) Этиловый спирт- ректификат Трихлор бензол Хлорбензол Дихлорэтан Сольвент технический II сорт Сольвент каменно- угольный (техн и чес кий)5 1 сорт 3 § § Толуол Бензол Уайт-спирит Бензин "Калоша" Бензин авиационны Б-70 Растворитель В таблице 4.1 приведены свойства основных компонентов рас- гворителей
C2H5OH с2н5он C6H3CI3 О to I to о CICH2CH2CI Смесь аромати- ческих углеводо- родов С6Н4(СН3)2 С6Н5СН3 <р О £ О □ 5 to т q Е К s 3 ® S< N3 Смесь алифати- ческих углеводо- родов Химический состав (формула)
° -° co co to м р to со 1,42... 1,46 1,07... 1,114 1,25. 1 ,26 О со со to 0,865 ° -° to со -Ч to 0 865 о со (D 0,795 О to । Плотность при 20’С
06”08 78... 78,2 го -* сл со о со to to го о 85.86 135... 200 to го о р 136,5... 141,5 110 111 79...80 ГО -+ О to О to 80 120 to о ° : Температура кипения при 760мм рт ст.
§ 5 ibi to to К) Не горит 28...32 Трудно горит КЗ м ГО ГО - to to to о to О Температура вспышки,'С
1 404 I I eifr I to о о to to о го о го to oo го го to to о о 098 088 Температура самовоспламе- нения
1 to to I to to to 2 по ксило- лу 2 по ксило- лу 13,5 р , со 40 60 35...50 35...50 Время испарения по серному эфиру, •с
co ° s I Минус 114 Минус 10 Минус 45 Минус 36 I I со го to _ 1 to О to о Температура замерзания (плавления)
2,07 I I 3,68 1 1 3,68 3,14 2,77 1 1 Плотность паров
Qj
О
О
•E
C
П
5
*
ь
a
о
Qj
Л
О
r>
5
C'
Диметил- формамид Вода гаствори- тель РКБ-1 Раствори- тель РДВ Раствори- тель 648 Раствори- тель 647 гаствори- тель 646 Скипидар Ацетон Этилцелло- зольв Амилацетат Бутилацетат Этилацетат Циклогекса- нол Изопропило-, вый спирт Бутиловый спирт (бутанол) Растворитель
О О Z о гТ н2о Смесь ксилола и бутанола Sgggosgg | Ч s .8 5 г О to 00, c to c c c 1 to с2н5осн2- сн2он СН3СОО- C5H11 CH3COO- C4H9 CH3COO- C2H5 О to I 0 О о to _T 0 T C4H9OH Химический состав (формула)
0,94 0,95 0,9982 1 1 I I .° Р bo to to to 0,790.. 0,791 0,930... 0,938 р о to со to to р 0,865.. 0,88 p p *cd co 0 to to 0 945... 0,95 0,81 p p bo 00 0 CD Плотность при 20°С
1 О о 1 1 I I co to о to 55...57 130... 137 to — 0 to 116... 135 p to 0 to to to p 130... 131 114... 118 Температура кипения при 760 мм рт. ст.
1 Не горит I 1 1 I 1 to K) (£ о От +22 до+25 ГО to - От+28 до+35 Температура вспышки, "С
1 Не воспла- меняет- ся I 1 I 1 to ГО to to о i to оэ 0 420 484 I to to to to Температура самовоспламе- нения
1 4,2 по кси- лолу 1,1...1,6 по кси- лолу 11. 18 8...12 8...16 I го to to 11.8 ГО 0 I to ГО to to Время испарения по серному эфиру, •с
1 о 1 I I I i I E I to to 3 I to ГО I I Температура замерзания (плавления)
1 I I I i 2,01 to co CO 3,04 I 3,04 2,55 Плотность паров
4.3.3. Растворители и загрязнения
4.3.3.1. Смеси растворителей
Спирты, кетоны, алифатические и ароматические углеводороды — от-
носительно недорогие растворители. За исключением этилового
спирта и некоторых алифатических углеводородов, многие из этих
растворителей токсичны, что составляет основную проблему их при-
менения. Кроме того, все они пожаро- и взрывоопасны. Самый рас-
пространенный очиститель на основе спирто-бензиновой смеси (1:1)
в дополнение к этим недостаткам неудобен из-за непостоянства со-
става вследствие различных скоростей испарения компонентов, труд-
ности регенерации смеси. Спирто-бензино-ацетоновой смеси свой-
ственна относительно высокая активность к растворению маркиро-
вочных знаков, некоторых пластмасс и диэлектрика печатных г£тат.
Этиловый спирт хорошо удаляет остатки канифольного флюса
и растворяет некоторые неорганические загрязнения, но не воздей-
ствует на масляные и жировые пленки, под которыми может ока-
заться значительное количество загрязнений. Большим преимуще-
ством этилового спирта является его свойство образовывать азео-
тропные смеси. Этим обусловлено его повсеместное использование
в технологиях очистки. Азеотропными называют жидкие смеси,
при кипении и конденсации которых состав смеси не меняется. Та-
кие смеси выкипают и конденсируются при постоянной температу-
ре, не разделяясь. Это значит, что растворенные в спирте загрязне-
ния испаряются вместе с ним. Этого нельзя сказать о растворите-
лях, не способных образовать азеотропные смеси. При испарении
они оставляют на поверхности загрязнения (например, бензин, рас-
творивший жировое загрязнение, при испарении оставляет на по-
верхности жировую пленку). Спирто-бензиновая смесь растворяет
практически все загрязнения, присутствующие на поверхности
плат, и благодаря азеотропности спирта они удаляются с поверхно-
сти вместе с парами спирта.
Ароматические углеводороды применяют, когда требуется силь-
ная способность к растворению.
Удаление жировой пленки органическими растворителями ос-
новано на их способности растворять жировые загрязнения благода-
ря сродству химической структуры их молекул. Минеральные масла
растворяются в углеводородах, растительные масла и канифоль —
в спиртах. После промывки и испарения растворителя на поверхно-
сти подложки остается пленка загрязнений, ранее растворенных
в испаренном слое растворителя. Поэтому для качественного обез-
жиривания особое значение имеет удаление с очищаемой поверхно-
сти остатков моющего состава со следами удаляемой жировой плен-
ки. Наиболее эффективна очистка в парах растворителя, основанная
на конденсации пара растворителя на холодных поверхностях печат-
ного монтажа. Конденсат растворяет загрязнения и стекает в испа-
ритель, где вновь испаряется, отделяясь от загрязнений.
4.3.3.2. Пожаробезопасные смеси растворителей
Перспективной считается замена органических растворителей по-
жаробезопасными. Среди таких растворителей привлекают внима-
ние фреоны — группа фторхлоруглеводородов жирного ряда, кото-
рые благодаря своим термодинамическим свойствам нашли широ-
кое применение в холодильных установках. Для очистки применяют
жидкие фреоны. Фреоны не растворимы в воде, не горючи, не обра-
зуют взрывоопасных смесей с воздухом, химически инертны, хотя
при контакте с открытым пламенем разлагаются с выделением ядо-
витых газов. Пары фреонов в 6... 10 раз тяжелее воздуха, что создает
условия использования их в установках для финишной очистки в па-
рах растворителя с малым расходом очистительной смеси.
Растворяющая способность чистых фреонов недостаточна для уда-
ления остатков канифольных флюсов. Поэтому используют азеотроп-
ные смеси фреонов с соответствующими растворителями (чаше со
спиртом). Низкое поверхностное натяжение фреонов (18...23 дин/см,
в то время как для воды 73 дин/см) позволяет им проникать в углуб-
ления, пазухи и под скопления грязи, легко вытекать из капилляров
и щелей, создавая условия для обмена моющей жидкости. Они об-
ладают исключительной способностью к смачиванию поверхнос-
тей, смачивают даже поверхность фторопласта.
Обычно применяют фреон Ф-113 — трифтортрихлорэтан, от-
личающийся способностью к растворению масел и смазок, крем-
нийорганических жидкостей и других загрязнений органического
происхождения. Низкая температура кипения и теплота парообра-
зования позволяют использовать его для экономичной очистки
термочувствительных элементов и деталей аппаратуры. Его азео-
тропная смесь с этиловым спиртом (9:1) позволяет смыть практи-
чески всю гамму органических загрязнений, сопутствующих про-
цессам монтажа.
Эмульсия, содержащая фреон Ф-113, деионизированную воду
и поверхностно-активные вещества (ПАВ), способна удалять не
только органические загрязнения, но и растворимые в воде мине-
ральные соли. В такой системе ПАВ располагаются на границе дис-
пергированных во фреоне капель воды. Очистка происходит как на
границе двух фаз, где сосредоточены практически все ПАВ, так и во
фреоне. '
4.3.3.3. Водные растворы технических моющих средств
Большое будущее для очистки имеют водные растворы ПАВ, разру-
шающие жировые пленки и остатки канифольного флюса путем их
разрыва и эмульгирования и смывающие растворимые неорганиче-
ские загрязнения. Типичные ПАВ — органические вещества ди-
фильного строения, т. е. содержащие в молекуле атомные группы,
сильно отличающиеся по интенсивности взаимодействия с окружа-
ющей средой, в данном случае — с водой (рис. 4.2). Один или не-
сколько углеводородных радикалов молекул ПАВ составляют олео-
или липофильную часть, обладающую гидрофобностью. Одна или
несколько полярных групп — гидрофильная часть. Слабо взаимо-
действующие с водой олеофильные (гидрофобные) группы опреде-
ляют возможность растворения углеводородных (неполярных) за-
грязнений. Гидрофильные группы, наоборот, удерживают молекулу
в полярной среде (в воде).
По типу гидрофильных групп ПАВ делят на ионные, или ион-
ногенные, и неионные, или неионогенные. Ионные ПАВ диссоци-
ируют в воде, их остатки на поверхности монтажа создают проводи-
мость, т. е. их нужно полностью удалять, что не всегда удается в си-
лу их поверхностной активности.
Неионогенные ПАВ не требуют тщательной отмывки и поэтому
предпочтительнее в процессах очистки печатного монтажа.
www.fastwel.ru
STW тел.: (095) 234-06-39
4.4. Интенсификация процессов очистки
Масляно-жировая пленка грязи
ОН
ОН^/к^ОН
(ГГидрофильный радикал
нТн
н-н
н4н
Олеофильный радикал
Рис. 4.2. Взаимодействие ПАВ с жировой пленкой' олеофильный ради-
кал молекулы ПАВ сливается с молекулами жировой (масля-
ной) пленки, гидроксильные (гидрофильные) радикалы обес-
печивают растворение ПАВ в воде.
Особое внимание уделяется производству ПАВ с линейным
строением молекул. Они легко подвергаются биохимическому раз-
ложению в природных условиях, не загрязняют окружающей среды
и их можно сливать в бытовые стоки.
4.4. Интенсификация процессов очистки
В процессе очистки ПП растворимые в очищающей среде загрязне-
ния переходят в раствор и уносятся вместе с ним. Показателем ин-
тенсивности этого процесса служит разность концентрации веще-
ства в слое, прилегающем к поверхности пленки загрязнения,
и концентрации этих веществ во всем объеме жидкости. Одним из
основных факторов, влияющих на интенсивность растворения, яв-
ляется скорость диффузии: количество вещества, продиффундиро-
вавшего к поверхности раздела фаз в единицу времени. Интенсив-
ное перемешивание уменьшают толщину диффузионного слоя, что
увеличивает скорость очистки: толщина диффузионного слоя об-
ратно пропорциональна корню квадратному из относительной ско-
рости движения фаз.
Перемешивание очищающей жидкости можно осуществлять ме-
ханическими способами: барботированием, наплескиванием рас-
творителя на очищаемые поверхности, наложением на ванну вибра-
ции низкой (100 Гц) частоты от электромагнитного вибратора, пита-
емого от сети 50 Гц, струйным распылением растворителя и т. п.
Повышение температуры размягчает жировые пленки и остатки ка-
нифольного флюса, что облегчает их разрушение и отделение.
Принципиально отличается от любых видов механического пе-
ремешивания наложение на ванну с очищающей жидкостью ульт-
развукового поля, вызывающее интенсивное перемешивание жид-
кости акустическими течениями.
Вихревые потоки, возникающие вблизи препятствий, разруша-
ют ламинарный слой на границе жидкость—твердое тело, способст-
вуют снятию концентрационных и диффузионных ограничений.
Наряду с общими потоками в жидкости существуют локальные ин-
тенсивные микропотоки, вызываемые колеблющимися вблизи
твердой поверхности парогазовыми (квитанционными) пузырька-
ми. Гидродинамические потоки и микропотоки вокруг неровностей
на границе жидкость—твердое тело ускоряют процессы растворения
пленок и способствуют перемешиванию компонентов в жидкой
среде. Механическое разрушение поверхностных пленок в акусти-
ческом поле является основным следствием кавитации. Если очист-
ка производится в водных растворах, кавитационные пузырьки пре-
имущественно возникают на поверхности жировой пленки и кани-
фольных загрязнений из-за слабого смачивания их поверхностей
водой. Кавитационные пузырьки производят микроударные на-
грузки поверхностных пленок загрязнений, под действием которых
наступает их эрозия. Концентрируясь на краях внешней и внутрен-
ней поверхностей отслоившихся частей пленок, пузырьки отслаи-
вают либо отрывают пленку, разбивают ее и эмульгируют, облегчая
тем самым процесс удаления загрязнений с поверхности ПП.
Интервал интенсивностей озвучивания (плотность энергии)
при ультразвуковой очистке в диапазоне частот 20...50 кГц составля-
ет 0,5...3 Вт/см2. При интенсивностях выше 5 Вт/см2 облако кави-
тационных пузырьков настолько увеличивается, что это приводит
к заметному уменьшению интенсивности ультразвука на некотором
расстоянии от излучателя. Применение чрезмерных интенсивное-
тей ультразвука для очистки печатного монтажа недопустимо, так
как в условиях развитой кавитации происходят усиленное эрозион-
ное разрушение поверхности диэлектрика печатных плат, отслое-
ние контактных площадок, ослабление паек, нарушения герметич-
ности электронных компонентов, разрушения элементов конструк-
ции. Опыт работы дает основание рекомендовать для очистки
компонентов радиоэлектронной аппаратуры ультразвуковые уста-
новки, обеспечивающие интенсивность колебаний в рабочей зоне
в пределах 0,4...0,6 Вт/см2.
Отечественная промышленность выпускает УЗ-оборудование
с диапазоном частот 18...24 кГц. Для обычного применения ультра-
звука повышение частоты выше 40 кГц считается нежелательным,
поскольку с дальнейшим повышением увеличивается порог кавита-
ции в жидкости, т. е. увеличивается минимальное значение звуко-
вого давления, достаточного для возникновения кавитации при за-
данных условиях. Однако при очистке печатного монтажа предпо-
чтение надо отдать докавитационным режимам очистки,
обеспечивающим менее агрессивное воздействие. Поэтому для этих
цепей следует использовать более высокие частоты, обеспечиваю-
щие введение в очищающую жидкость большей интенсивности ко-
лебаний в докавитационном режиме.
4.5. Ультразвуковая очистка.
Теория и практика
4.5.1. Введение
Технологии очистки находятся в состоянии постоянного совершен-
ствования. Широко использующаяся в России спирто-бензиновая
смесь для отмывки плат от остатков флюса и технологических за-
грязнений теряет эффективность по мере уменьшения размеров
компонентов. В уменьшающихся пазухах и зазорах нет нужного об-
мена раствора, чтобы вымыть оттуда технологические загрязнения.
Желание улучшить отмывку увеличением времени отмывки приво-
дит к вымыванию связующего, образованию белесоватости на по-
верхности плат. Практикуемая зарубежом конденсационная очист-
ка, использующая хлорированные и фторированные углеводороды,
Fas+welcS?
постепенно исчезает в интересах экологии нашей планеты. В то же
время требования к очистке непрерывно ужесточаются. Чистота
стала актуальным фактором качества во многих отраслях промыш-
ленности, чего никогда не было в прошлом. В электронной индуст-
рии, где чистота была всегда важна, она стала егце более критичес-
ким фактором в обеспечении состоятельности высоких технологий.
Кажется, что каждое усовершенствование в технологии требует все
большего и большего внимания к чистоте для его реализации. В ре-
зультате технологии очистки были критически пересмотрены в те-
чение последних нескольких лет. Многие из них продвигаются за
счет использования ультразвуковой технологии.
Действительно, какие бы эффективные моюшие растворы ни
использовались, без добавления акустической энергии ультразвука >
нет возможности обеспечить заданный уровень очистки.
4.5.2. Что такое ультразвук?
4.5.2.1. Ультразвук (УЗ)
Ультразвуковые колебания — упругие колебания и волны, частота
которых превышает (1,5—2)-104 Гц (15...20 кГц). Нижняя граница
области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слыши-
мого звука, определяется субъективными свойствами человечес-
кою слуха и является условной, поскольку верхняя граница слухо-
вого восприятия человека имеет значительный разброс для
различных индивидуумов. Верхняя граница ультразвуковых частот
обусловлена физической природой упругих волн, которые могут
распространяться лишь в материальной среде, т. е. при условии,
что длина волны значительно больше длины свободного пробега
молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях
и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу частот УЗ оп-
ределяют из условия приблизительного равенства длины звуковой
волны и длины свободного пробега молекул. При нормальном
давлении она составляет 109 Гц. В жидкостях и твердых телах оп-
ределяющим является равенство длины волны межатомным рас-
стояниям, и граничная частота достигает 1012...1013 Гц. В зависи-
мости от длины волны и частоты УЗ обладает специфическими
особенностями излучения, приема, распространения и примене-
ния, поэтому область ультразвуковых частот удобно подразделить
на три подобласти:
1) низкие ультразвуковые частоты (1,5—104...105 Гц);
2) средние (105... 107 Гц);
3) высокие (107...109 Гц).
Упругие волны с частотами 108...1013 Гц принято называть ги-
перзвуком.
4.5.2.2. Теория звуковых волн
Ультразвук как упругие волны
Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от упру-
гих волн слышимого диапазона, а также от инфразвуковых волн.
Распространение УЗ подчиняется основным законам, общим
для акустических волн любого диапазона частот, обобщенно назы-
ваемых обычно звуковыми волнами. К основным законам распро-
странения относятся законы отражения и преломления звука на
границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при
наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на
границах, законы волноводного распространения на ограниченных
участках среды.
Специфические особенности ультразвука
Хотя физическая природа УЗ и управляющие его распростране-
нием основные законы те же, что и для звуковых волн любого диа-
пазона частот, он обладает рядом специфических особенностей, ко-
торые определяют его большое значение в науке и технике. Эти осо-
бенности обусловлены его относительно высокими частотами
и, соответственно, малыми длинами волн.
Еще одна весьма важная особенность УЗ — возможность полу-
чения высоких значений интенсивности при относительно неболь-
ших амплитудах колебательного смещения, так как при данной
амплитуде интенсивность прямо пропорциональна квадрату часто-
ты. Амплитуда колебательного смещения на практике лимитирует-
ся прочностью акустических излучателей.
В ультразвуковом поле большой интенсивности развиваются
значительные акустические течения. Течения могут быть обуслов-
лены поглощением звука, могут возникать в пограничном слое
вблизи препятствий разнообразного вида.
Радиационное давление возрастает с увеличением частоты,
так как величина его пропорциональна интенсивности звука.
Для того чтобы эффекты звукового поля: интенсивность звука, зву-
ковое давление, колебательная скорость, радиационное давление —
достигли заметной величины, с увеличением частоты требуется все
меньшее значение амплитуды колебательного смещения и, значит,
не лимитируется прочностью излучателя.
Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле яв-
ляется кавитация — возникновение в жидкости массы пульсирую-
щих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное
движение пузырьков, их захлопывание, слияние друг с другом и т. д. *
порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны)
и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, иониза-
цию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит
разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная
эрозия), возникает перемешивание жидкости, инициируются или
ускоряются различные физические и химические процессы
(рис. 4.3).
Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или
ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом
частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кави-
тационная эрозия, с увеличением гидростатического давления
Кавитационные пузырьки
увеличиваются
при отрицательном давлении
t
Цикл возобновляется:
рождаются и растут
новые пузырьки
Максимальный размер
пузырьков
Пузырьки
взрываются
при положитльном
давлении
t
I
Рис. 4.3. Кавитационный процесс.
в жидкости возрастает роль ми-
кроударных воздействий. Уве-
личение частоты обычно приво-
дит к повышению порогового
значения интенсивности, отве-
чающего началу кавитации, ко-
торое зависит от рода жидкости,
ее газосодержания, температу-
ры и пр. Для воды в низкочас-
тотном ультразвуковом диапа-
зоне при атмосферном давле-
нии оно обычно составляет
0,3...! Вт/см3.
4.5.3. Технологическое применение ультразвука
Многообразные применения УЗ, при которых используются раз-
личные его особенности, можно условно разбить на три направ-
ления. Первое связано с получением информации посредством
ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на ве-
щество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направле-
ния перечислены в порядке их исторического становления).
4.5.3.1. Принципы ультразвуковой очистки
В жидкостях основную роль при воздействии УЗ на вещества и про-
цессы играет кавитация. На кавитации основан получивший наи-
большее распространение ультразвуковой технологический про-
цесс — очистка поверхностей твердых тел. В зависимости от харак-
тера загрязнений большее или меньшее значение могут иметь
различные проявления кавитации — микроударные воздействия,
микро-потоки, нагревание. Подбирая параметры звукового поля,
физико-химические свойства моюшей жидкости, ее газосодержа-
ние, внешние факторы (давление, температуру), можно в широких
пределах управлять процессом очистки, оптимизируя его примени-
тельно к типу загрязнений и виду очищаемых деталей. Разновидно-
стью очистки является травление в ультразвуковом поле, где дейст-
вие УЗ совмещается с действием сильных химических реагентов.
Ультразвуковая металлизация и пайка основывается фактически на
ультразвукововой очистке (в том числе от окисной пленки) соединя-
емых или металлизируемых поверхностей. Очистка при пайке
(рис. 4.4) обусловлена кавитаци-
ей в расплавленном металле.
Степень очистки при этом так
высока, что образуются соеди-
нения неспаиваемых в обычных
условиях материалов, например
алюминия с другими металлами,
различных металлов со стеклом,
керамикой, пластмассами.
В процессах очистки и ме-
таллизации существенное зна-
Рис. 4.4. Разрушение окисной плен-
ки при пайке.
чение имеет звукокапиллярный эффект, обеспечивающий проник-
новение моющего раствора или расплава в мельчайшие трещины
и поры, и сам процесс, обусловленный кавитацией.
4.5.3.2. Механизмы очистки и отмывки
Очистка в большинстве случаев требует, чтобы загрязнения были
растворены (как в случае растворения солей), счищены (как в слу-
чае нерастворимых солей) или как растворены, так и счищены (как
в случае нерастворимых частиц, закрепленных в слое жировых пле-
нок). Механические эффекты ультразвуковой энергии могут быть
полезны как в ускорении растворения, так и в отделении частиц от
очищаемой поверхности. Ультразвук также можно эффективно ис-
пользовать в процессе ополаскивания. Остаточные химикалии мо-
ющих сред могут быть быстро полностью удалены ультразвуковым
ополаскиван ием.
При удалении загрязнений растворением растворителю необхо-
димо войти в контакт с загрязняющей пленкой и разрушить ее
(рис.4.5а). По мере того как растворитель растворяет загрязнение,
на границе растворитель—загрязнение возникает насыщенный рас-
в
Загрязнения
Рис. 4.5. Интенсификация удаления
растворимых загрязнений: а — очи-
щающая среда (моющая жидкость)
смачивает загрязняющую пленку;
б — моющая жидкость растворяет
загрязнение, образуя в приповерх-
ностном слое концентрированный
раствор; в - ультразвук разрушает
приповерхностный слой концент-
рированного раствора, переводя его
в очищающую среду.
Рис. 4.6. Нерастворяющиеся зафязнения разрушаются и эмульгируют-
ся под действием ультразвукового возбуждения: а — исходное
состояние системы; б — диспергированные загрязнения.
твор загрязнения в растворителе, и растворение останавливается,
поскольку нет доставки свежего раствора к поверхности загрязне-
ния (рис. 4.56).
Воздействие УЗ разрушает слой насыщенного растворителя
и обеспечивает доставку свежего раствора к поверхности загрязне-
ния (рис. 4.5, в). Это особенно эффективно, когда очистке подвер-
гаются «неправильные» поверхности с лабиринтом пазух и рельефа
поверхностей, к каким относятся печатные платы и электронные
модули. Это особенно важно для отмывки плат с крупными много-
выводными компонентами, где пазухи под их корпусами невозмож-
но отмыть, если не обеспечить в них обмен раствора.
Некоторые загрязнения представляют собой слой нераствори-
мых частиц, прочно сцепленный с поверхностью силами ионной
связи и адгезии. Эти частицы достаточно только отделить от по-
верхности, чтобы разорвать силы притяжения и перевести их в объ-
ем моющей среды для последующего удаления. Кавитация и акус-
тические течения срывают с поверхности, смывают и удаляют за-
грязнения типа пыли (рис. 4).
4.5.3.3. Комплексные загрязнения
Загрязнения, как правило, многокомпонентны и могут в комплексе
содержать растворимые и нерастворимые компоненты. Эффект УЗ
в том и состоит, что он эмульгирует любые компоненты, т.е. переводит
их в моющую среду и вместе с ней удаляет их с поверхности изделий.
4.5.3.4. Ультразвуковое оборудование
Чтобы ввести ультразвуковую энергию в систему очистки, необ-
ходим УЗ генератор, преобразователь электрической энергии гене-
ратора в УЗ излучение и измеритель акустической мощности.
Электрический генератор
Ультразвуковой генератор конвертирует электрическую энер-
гию сети в электрическую энергию на ультразвуковой частоте. Это
выполняется известными способами и не имеет какой-либо специ-
фики.
Однако предпочтительнее использовать цифровую технику ге-
нерации, когда на выходе получают прямоугольные импульсы чере-
дующейся полярности (рис. 4.7). КПД таких генераторов близок
к 100%, что позволяет решить проблему энергоемкости процесса.
Применение прямоугольного сигнала приводит к акустическому
излучению, богатому гармониками. Преимущества многочастотной
системы очистки состоят в том, что в объеме моющей среды не об-
разуются «мертвые» зоны в узлах интерференции. Поэтому много-
частотное УЗ облучение позволяет располагать объект очистки
практически в любой зоне УЗ ванны.
Другим приемом избавления от «мертвых» зон является ис-
пользование генератора с качающейся частотой (рис. 4.8) - час-
тотная модуляция. В этом случае узлы и пучности интерференци-
онного поля перемещаются на различные точки очищающей сис-
W
Рис. 4.7. Форма тока от простейшего источника питания ультразвуко-
вого излучателя.
Рис. 4.8. Источник питания ультразвукового излучателя с частотной
модуляцией.
Fas+welC/
темы, не оставляя без облучения какие-либо участки для очистки.
Но КПД таких генераторов относительно низкий.
Ультразвуковые преобразователи
Имеются два общих типа ультразвуковых преобразователей:
магнитострикционный и пьезоэлектрический. Оба выполняют оди-
наковую задачу преобразования электрической энергии в механи-
ческую
Магнитострикционный преобразователь
В магнитострикционных преобразователях (рис. 4.9) использу-
ют эффект магнитострикции, при котором некоторые материалы
изменяют линейные размеры в переменном магнитном поле.
Электрическая энергия от ультразвукового генератора сначала
преобразовывается обмоткой магнитостриктора в переменное маг-
нитное поле. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порож-
дает механические колебания ультразвуковой частоты за счет де-
формации магнитопровода в такт с частотой магнитного поля. По-
скольку магнитострикционные материалы ведут себя подобно
электромагнитам, частота их деформационных колебаний в два ра-
за выше частоты магнитного (а значит, и электрического) поля.
Электромагнитным преобразователям свойственен рост потерь
энергии на вихревые токи и перемагничивание с ростом частоты.
Поэтому мощные магнитострикционные преобразователи редко
используют на частотах более 20 кГц. Пьезопреобразователи, с дру-
гой стороны, могут хорошо излучать в мегагерцевом диапазоне.
Магнитострикционные преобразователи вообще менее эффек-
тивны, чем их пьезоэлектрические аналоги. Это обусловлено преж-
де всего тем, что магнитострикционный преобразователь требует
двойного энергетического преобразования: из электрического
в магнитное и затем из магнитного в механическое. Потери энергии
происходят на каждом преобразовании. Это уменьшает КПД маг-
нитострикторов.
Пьезоэлектрические преобразователи
Пьезопреобразователи (рис. 4.10) конвертируют электричес-
кую энергию прямо к механическую за счет использования пьезо-
электрического эффекта, при котором некоторые материалы (пье-
зоэлектрики) изменяют линейные размеры при наложении элект-
рического поля. Раньше для пьезоизлучателей использовали такие
Рис. 4.9. Магнитострикционный преобразователь.
Рис. 4.10. Пьезопреобразователь.
пьезоэлектрические материалы, как природные кристаллы кварца
и синтезируемый титанат бария, которые были хрупки и неста-
бильны, а потому и ненадежны. В современных преобразователях
используют более прочные и высокостабильные керамические
пьезоэлектрические материалы. Огромное большинство систем
УЗ очистки используют сегодня пьезоэлектрический эффект.
Оборудование для ультразвуковой очистки
Диапазон используемого оборудования ультразвуковой очистки
очень широк: от малых настольных модулей в стоматологии, юве-
лирных магазинах, электронной индустрии до огромных систем
с объемами в нисколько тысяч литров в ряде промышленных приме-
нений.
Правильный выбор необходимого оборудования имеет перво-
степенное значение в успехе любого применения ультразвуковой
очистки. Самое простое применение УЗ очистки может требовать
всего лишь нагретой моющей жидкости (рис. 4.11). Более сложные
системы очистки имеют большое количество ванн, последние из
которых наполнены дистиллированной или деионизированной
водой. Самые большие системы используют погружаемые ультра-
звуковые преобразователи, комбинация которых может облучить
ванны почти любого размера. Погружаемые ультразвуковые преоб-
разователи обеспечивают максимальную гибкость и легкость в ис-
пользовании и обслуживания.
Ультразвуковые ванны с подо-
гревом моющего раствора — на-
иболее частое применение в ла-
бораториях, медицине, ювелир-
ном деле.
Продвижение технологии
ультразвуковой очистки в про-
изводстве печатных плат и элек-
тронных модулей в России было
заторможено неуверенностью
в устойчивости электронных
компонентов к воздействию
ультразвука. По крайней мере,
это требовало проведения до-
Рис. 4.11. Энергия кавитации.
Рис. 4.12. Линия отмывки печатных
узлов в прозоне (водный раствор
изопропилового спирта) с возбуж-
дением отмывочной ванны ультра-
звуком.
полнительных испытаний для аттестации компонентов по устойчи-
вости к УЗ.
Линии УЗ очистки (рис. 4.12), используемые в крупном произ-
водстве, объединяют в одном корпусе электрические УЗ генерато-
ры, УЗ преобразователи, транспортную систему перемещения объ-
ектов очистки по ваннам и систему управления.
4.5.4. Системы УЗ очистки
При выборе системы очистки особенно важно обращать внима-
ние на те характеристики, которые обусловливают ее полный ус-
пех. В первую очередь важно определить факторы интенсивности
ультразвуковой кавитации в моющей жидкости. Несколько пара-
метров сказываются на интенсивности кавитации (рис. 4.13).
Температура жидкости — наиболее важный фактор, который нуж-
но рассматривать в обеспечении интенсивности кавитации. Из-
Давление отрицательное:
растворенный в жидкости
газ заполняет
растущий пузырек
Давление атмосферное:
поступающий в пузырек
газ выравнивает давление
Давление растет:
газ из пузырька
растворяется
в объеме жидкости
Амплитуда
положительного
давления: пузырек
не взрывается — газ
уходит в объем жидкости.
Кавитанции нет.
Рис. 4.13. Стадии процесса кавитации.
менения температуры приводят к изменениям вязкости, раство-
римости газа в жидкости, скорости диффузии растворенных газов
в жидкости и давлении пара. Все они влияют на интенсивность
кавитации. Вязкие жидкости инерционны и не могут реагировать
достаточно быстро, чтобы формировать кавитационные пузырь-
ки и сильные акустические течения. Для наиболее эффективной
кавитации очищающая жидкость должна содержать как можно
меньше растворенного газа. Газ, растворенный в жидкости, выхо-
дит во время пузырьковой фазы роста кавитации и ослабляет ее
взрывной эффект, который необходим для ожидаемого эффекта
ультразвукового воздействия. Количество растворенного газа
в жидкости уменьшается с увеличением температуры. Скорость
диффузии растворенных газов в жидкости также увеличивается
при более высоких температурах. Поэтому отдают предпочтение
очистке в подогретых моющих растворах. Парообразная кавита-
ция, в которой кавитационные пузырьки заполнены паром жид-
кости, является наиболее эффективной формой кавитации. По-
вышение температуры жидкости приближает кавитацию к темпе-
ратуре кипения.
Интенсивность кавитации прямо связана с мощностью ультра-
звукового облучения. Мощность УЗ облучения устанавливают в ос-
новном выше кавитационного порога. Интенсивность кавитации
обратно пропорциональна ультразвуковой частоте: с увеличением
ультразвуковой частоты уменьшаются размеры кавитационных пу-
зырьков и их результирующее воздействие на очищаемую поверх-
ность. Компенсировать уменьшение интенсивности ультразвуково-
го воздействия с увеличением частоты можно только увеличением
мощности облучения.
4.5.5. Обеспечение максимального эффекта очистки
Эффективность удаления загрязнений при растворении, эмульги-
ровании или механической очистке зависит от физических и хими-
ческих свойств очищающих сред и методов их использования.
При этом необходимо создать следующие условия:
• очиститель должен растворять или эмульгировать как поляр-
ные, так и неполярные соединения, пленки жировых загрязне-
ний и флюса, масла, защищающие поверхность припоя, уда-
лять остатки солей, используемых при изготовлении печатных
плат;
• с очищаемых поверхностей должны быть удалены твердые
частицы загрязнений: частички нерастворимых веществ,
крошево (результат термоэрозии), пыль, ворсинки, волокна
и т. п.;
• очистители не должны повреждать элементы печатных плат,
маркировочные знаки, размягчать и растворять пластмассу
и эластомеры, взаимодействовать с металлами.
Удачный выбор моющих сред — первый залог полного успеха
процесса ультразвуковой очистки. В первую очередь выбранный со-
став должен быть совместим с материалами очищаемых поверхнос-
тей. Наиболее подходят для этого водные растворы технических мо-
ющих средств. Как правило, это обычные поверхностно-активные
вещества (ПАВ).
Дегазация моющих растворов чрезвычайно важна в достижении
удовлетворительных результатов очистки. Свежие растворы или
растворы, которые накануне были охлаждены, должны быть дегази-
рованы перед процессом очистки. Дегазация выполняется нагревом
жидкости и предварительным облучением ванны ультразвуком.
Время, заданное для дегазации жидкости, составляет от нескольких
минут для ванн малого размера до часа или больше для большого
резервуара. Ненагретый резервуар может дегазироваться несколько
часов. Признаком закончившейся дегазации являются отсутствие
видимых пузырьков газа, перемещающихся к поверхности жидкос-
ти, и отсутствие видимой пульсации пузырьков.
Мощность ультразвукового облучения должна сопоставляться
с объемом ванны. Очистка массивных объектов или объектов, име-
ющих большое отношение поверхности к массе, может требовать
дополнительной ультразвуковой мощности. Чрезмерная мощность
может вызывать кавитационную эрозию или «сжигающий» эффект
на мягких поверхностях. Если очищаются объекты с разнородными
поверхностями, мощность облучения рекомендуется установить по
менее прочному компоненту.
Важно правильно размещать очищаемые объекты в ванне. По-
гружные устройства не должны экранировать объекты от воздейст-
www.fastwel.ru
rOSTWG ХХаГ тел.: (095) 234-06-39
вия ультразвука. Твердые материалы обычно обладают хорошей зву-
копроводностью и не экранируют объект очистки. Вместе с тем
объекты очистки нужно постоянно ориентировать или вращать их
во время очистки так, чтобы полностью очистить внутренние пазу-
хи и глухие отверстия.
Должным образом используемая ультразвуковая технология
обеспечивает увеличение скорости и качества очистки поверхнос-
тей. Отказ от использования растворителей за счет применения
водных сред удешевляет процесс и наиболее эффективно решает
экологические проблемы. Ультразвук — это не технология будуще-
го, это технология сегодняшнего дня.
4.6. Технология ультразвуковой очистки
Ультразвуковая очистка позволяет полностью избавиться от тради-
ционно используемых отмывочных жидкостей типа спирта, бензи-
на, нефрасов путем замены их на водные растворы технических мо-
ющих средств (ТМС) — поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Поскольку при ультразвуковой очистке происходит интенсивное
перемешивание жидкости, необходимо добавление пеногасящих
компонентов. Такое сочетание компонентов присуще стиральным
порошкам, используемым в автоматических стиральных машинах.
Они имеют индекс «AUTO».
Последовательность очистки:
Вариант 1
УЗ отмывка в водных растворах ТМС, 2 мин Отмывка остатков ТМС в проточной воде, 2 мин УЗ отмывка загряз- нений проточной во- ды в деионизирован- ной (дистиллиро- ванной) воде, 1 мин
Вариант 2
УЗ отмывка в водных растворах ТМС, 2 мин Отмывка остатков ТМС в проточной воде, 2 мин Отмывка загрязне- ний проточной воды деионизированной водой в кювете, 7 мин
Расходные материалы:
ТМС
70 г/л;
Деионизованная вода
по объему ванны.
Список оборудования для выбора:
Обозначение очистителя ультразвукового объемом V (L),
№ 1 2 3 4 5 6 7 8 с размером вонночки LxHxW 1 п, 155x120x60 4 л, 285x1 85x100 8 л, 300x233x150 12 л, 324x296x150 25 л, 500x300x200 42 л, 480x350x245 Корзинки Дистиллятор ДЭ4, производительность 4 л/ч
Лабораторные УЗ очистители
УЗ установка состоит из двух частей: УЗ генератора, излучателя
и ванны, расположенных в одном корпусе. Установка имеет таймер,
при помоши которого можно устанавливать время очистки.
Нагрев жидкости имеет отдельный выключатель, настроенный
на поддержание температуры 50°С.
Описание процесса
(все операции отмывки проводить в хирургических перчатках):
• ванну заполнить чистой водой до отметки;
• включить нагрев ванны;
• включить на несколько минут ультразвук для дегазации жид-
кости;
• всыпать в ванну необходимое количество ТМС (70 г/л);
• выждать 12 мин и выключить генератор;
• уложить плату в корзину;
• погрузить корзину с платой в ванну;
• включить УЗ генератор установкой таймера на нужное время;
• по завершении процесса перенести корзину с платой под про-
точную воду (горячую, потом холодную);
• вынуть плату из корзины и уложить в кювету с дистиллиро-
ванной водой;
• покачиванием кюветы промыть плату в течение 12 мин;
• поднять плату из кюветы и поставить ее вертикально в «козлы»;
• сушить платы в обеспыленной атмосфере.
Многолетний успешный опыт использования ультразвуковой
очистки в производстве электронных изделий ответственного на-
значения демонстрирует ее хорошую эффективность.
4.7. Контроль качества очистки
Отмывка печатных плат от загрязнений — процесс, требующий осо-
бого внимания и специальных приемов контроля.
Качество отмывки и нанесения последующих слоев можно га-
рантировать, только если есть возможность убедиться, что все за-
грязнения (неорганические и жировые) с поверхности печатных
плат удалены.
Разрыв водяной пленки
Наиболее простой метод контроля обезжиривания — испыта-
ния на разрыв водяной пленки. Если смоченная деионизированной
водой поверхность не имеет гидрофобных загрязнений, водяная
пленка распределяется тонким равномерным слоем. И этот прием
можно успешно использовать на всех процессах, связанных с от-
мывкой водой.
Кондуктометрическая ячейка
Более сложным и наиболее совершенным методом контроля
чистоты отмывки является проверка сопротивления изоляции меж-
ду соседними печатными проводниками в камере влажности либо
по изменению сопротивления деионизированной воды после про-
мывки в ней контролируемой платы. Механизм контроля состоит
в том, что загрязняющие примеси диссоциируют в воде, увеличивая
ее проводимость. Очевидно, что сопротивление воды тем меньше,
чем больше количество загрязнений. Кондуктометрическая ячейка
может быть включена в контур управления системой очистки. Такая
система (без участия человека) будет очищать плату до установлен-
ного уровня очистки.
Сопротивление изоляции между проводниками
Контроль загрязнений по сопротивлению изоляции в условиях
влаги является более чувствительным методом, так как диссоцииру-
ющие загрязнения создают большие концентрации в поверхност-
ной пленке влаги, чем при контроле промывных вод в кондуктоме-
трической ячейке.
Глава 4. Очистка поверхностей
Для контроля загрязнений печатных плат созданы специальные
гидростаты с герметичными шарнирно закрепленными контакти-
рующими щупами или с резиновыми рукавами для обеспечения
контактирования с печатной платой внутри камеры гидростата.
Нормы на чистоту отмывки должны устанавливаться для раз-
личных конструкций печатных плат, исходя из сопоставления со-
противления изоляции, измеренного в гидростате, и при обычных
испытаниях на влагоустойчивость (рис. 4.14). Нужно отметить,
что сопротивление изоляции даже при самой тщательной отмывке
не может быть бесконечно большим. В конечном счете оно опре-
деляется конструкцией платы и электрофизическими характерис-
тиками фольгированных материалов. Поэтому нормы на чистоту
отмывки должны отвечать реально достижимым пределам, свой-
ственным принятой плотности монтажа в конкретных конструк-
циях плат.
Время выдержки печатных плат в гидростате или дистиллиро-
ванной воде составляет для разных типов плат от 15 мин до 1 ч.
Для предотвращения электрохимических процессов в процессе из-
мерения следует использовать приборы с низким напряжением, на-
пример напряжение на пределе 1000 МОм 35 В или на котором
можно установить низкое напряжение 1 или 10 Б. С этой же целью
Рис. 4.14. Гидростат.
www.fastwel.ru
тел.: (095) 234-06-39
время измерения сопротивле-
ния изоляции в гидростате не-
обходимо по возможности со-
кращать (не более 5... 10 с на из-
мерение в одной точке).
Для арбитражных ситуаций,
анализа отказов плат в составе
аппаратуры чувствительным ме-
тодом контроля загрязнений яв-
ляется определение остатков
травящих растворов (ионов ме-
ди и железа) с помощью реак-
тивной бумаги. Используемая
для этого бумага покрывается
тонким слоем желатина, или об-
работкой обычной фотобумаги
в фиксирующих растворах (для
Рис. 4.15. Сопоставление сопротив-
ления изоляции печатных плат с ла-
ковым влагозащитным покрытием
при длительных испытаниях (RM3)
с уровнем изоляции при ускорен-
ном контроле качества отмывки:
1 - 1000 МОм; 2 - 100 МОм; 3 -
10 МОм.
удаления серебра) получают исходный материал. Для придания бу-
маге чувствительности к ионам железа и меди ее обрабатывают по-
следовательно в трех растворах:
Раствор № 1 0,25 М раствор ацетата цинка;
Раствор № 2 0,25 М раствор ферроцианида калия;
Раствор № 3 0,1 М раствор соляной кислоты.
После обработки в темноте в растворах № 1 и 2 бумагу тщатель-
но промывают в дистиллированной воде и сушат на воздухе, разло-
жив желатиновой стороной вверх на чистой стеклянной пластине.
При контроле загрязнений подготовленную бумагу увлажняют
в растворе № 3, удаляют избыток кислоты фильтровальной бума-
гой и помещают на плату желатиновой стороной к контролируемой
поверхности. Для хорошего контакта с поверхностью печатной пла-
ты бумагу прижимают через эластичную прокладку из материала,
свободного от примесей железа, выдерживают 5 мин при давлении
1,5...3 кгс/см2, затем отделяют от поверхности платы и, если необ-
ходимо для документирования, высушивают. Наличие ионов желе-
за на плате выявляется синим окрашиванием, меди — красно-ко-
ричневым. Чувствительность этого метода контроля загрязнений
ионами меди и железа — до 0,001 мкг/мм2.
С
Fastwe
КОНТРАКТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
компоненты, ПП, сборка, тест
Содержание канифоли в спирто-бензиновых смесях из контро-
лируемой ванны можно определить химическим анализом. Если
требуется определить только присутствие канифоли, производят
выпаривание анализируемого раствора. После выпаривания в не-
большом фарфоровом тигле к осадку добавляют несколько крис-
таллов хлористого кальция, повторно нагревают тигель и прибавля-
ют в него каплю серной кислоты. Наличие канифоли проявляется
в ярко-красном свечении.
Так как флюсы могут содержать активные вещества, представ-
ляющие собой ионогенные продукты, концентрацию их в моющем
растворе можно определить измерением электрического сопротив-
ления раствора. Для этого отмытый узел погружают в водный рас-
твор изопропилового спирта (в дистиллированную воду) и ополас-
кивают в ней в течение 5 мин. Промывной раствор помешают в ста-
кан емкостью 500...800 мл, после чего погружают в него датчик,
измеряют с помощью кондуктометрического концентратомера
удельное сопротивление воды и сравнивают его с сопротвлением
этого же раствора до промывки. Допустимое снижение сопротивле-
ния моющего раствора не должно превышать 20 х 103 Ом • см.
ГЛАВА 5
ЭЛЕМЕНТЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ
Усложняющаяся техника печатного монтажа требует применения
эффективных методов контроля качества всех печатных элементов
и особенно элементов, определяющих надежность соединений
в структурах печатных плат. Такое внимание к соединениям обус-
ловлено, с одной стороны, повышенными требованиями к надежно-
сти, а с другой — уменьшением размеров соединений, снижающим
их механическую устойчивость, и трудностью ремонта в составе уз-
лов и блоков электронного оборудования.
Особенности современных конструкций печатных плат состоят
в специализации соединений с точки зрения выполнения ими опре-
деленных функций. Они выполняют роль цепей питания или сиг-
нальных межсоединений. Требования к цепям питания состоят
в минимизации сопротивления, возможности выдерживать значи-
тельные токовые нагрузки. В МПП они одновременно играют роль
электрических экранов для межсоединений. При этом они должны
равномерно распределяться в пределах рабочего поля печатных
плат. К сигнальным межсоединениям предъявляются другие специ-
фические требования. Так, печатные проводники должны иметь ми-
нимальную воспроизводимую ширину, чтобы обеспечить необходи-
мую плотность соединений. При этом они должны быть механичес-
ки и электрически устойчивыми в условиях возможных внешних
воздействий: температур пайки, изгибов платы, вибраций, ударов,
термоциклирования и т. д.
5.1. Структура межсоединений
Наиболее характерное сочетание элементов соединений содержат
МПП. Электрические соединения в МПП, изготавливаемых мето-
дом металлизации сквозных отверстий, можно разделить по конст-