11.4. Создание токопроводящих покрытий

Наибольшее распространение получили электрохимический метод создания токопроводящих покрытий, травление фольгированного диэлектрика, метод переноса, а также метод вжигания серебра в керамику.

Метод электрохимического осаждения металла. Типовой технологический процесс получения печатной схемы электрохимическим способом состоит в основном из следующих операций: заготовка платы, гидропескоструйная обработка ее, печатание схемы, обработка растворами двухлористого олова и азотнокислого серебра с промежуточной промывкой, химическое меднение, снятие краски, электролитическое меднение, промывка водой, сушка. Возможно покрытие проводников припоем ПОСВ-50, никелем или серебром.

Рассмотрим технологическую последовательность изготовления печатных плат этим методом при использовании в качестве основания листового гетинакса или другого листового изоляционного материала.

Листы разрезают на полосы, из которых вырубают основания требуемой формы. Для лучшего сцепления с проводниками основание подвергают пескоструйной обработке кварцевым песком (диаметр зерен 0,1—0,2 мм), а затем обдувают сжатым воздухом для удаления пыли и приставших песчинок.

На одну или обе стороны обработанных оснований наносят кислото- и щелочеупорной краской негативный рисунок схемы, т. е. покрывают краской те участки поверхности, на которые не должен при дальнейшей обработке осаждаться металл.

В условиях массового производства нанесение краски осуществляется способом офсетной печати. Печатание производят на плоскопечатном офсетном станке типографской краской с помощью клише. Такие станки применяются в типографиях для опробования изготовленных клише и для печатания небольших партий полиграфических изделий.

Станок (рис. 11.24) состоит из станины 1 с двумя направляющими, по которым движется каретка 6 с вращающимся барабаном 8. Между направляющими укреплены два стола 2 и 4, на одном из которых устанавливается форма клише 3, а на другом заготовка-плата 5. На барабан натянута специальная офсетная резина 9, с помощью которой краска с формы переносится на плату. Краска переходит с клише 3 на резину 7, а с нее на плату 5. Возвратно-поступательное движение каретки и вращательное движение барабана строго согласованы, так что резина 9 при этих перемещениях не скользит по изделию и форме, а прокатывается, не размазывая краски рисунка.

Форма клише, таким образом, является оригиналом, с которого производится печать. Для изготовления формы-клише на ватмане вычерчивают в увеличенном масштабе изображение печатного монтажа. Затем это изображение фотографируют с уменьшением до необходимого для печати размера. В зависимости от способа изготовления печатного монтажа и формы-клише изготовляют негатив или диапозитив и уже с помощью этого отпечатка фотохимическим способом приготовляют форму-клише.

Рис. 11.24. Плоскопечатный станок для офсетной печати

Для печати применяют цинкографские клише с рельефным изображением, плоские формы, металлическая поверхность которых после специальной химической обработки приобретает способность воспринимать краску только на необходимых участках, образуя тем самым нужный рисунок, и биметаллические формы. Для изготовления последних на основной металл — медь — гальваническим способом в соответствии с требуемым рисунком наращивается другой металл — никель; после химической обработки краска пристает только к меди, образуя на форме определенный рисунок.

Биметаллические формы позволяют получать более тонкие линии с ровными краями. Стойкость этих форм благодаря значительной твердости никеля выше, чем цинкографских и плоских форм-клише; они выдерживают до 300 тыс. оттисков, в то время как с плоских форм можно получить до 50 тыс. оттисков.

После нанесения рисунка схемы краску припудривают порошкообразной канифолью и тальком и сплавляют в печи при температуре 100—110° С. Канифоль наносят для улучшения кислотостойкости напечатанного рисунка (это делается также при фотоспособе). Усиление краски смолистыми материалами необходимо, чтобы предотвратить протравливание фольги или наращивание металла в ненужных местах.

Простота технологического процесса и высокая производительность при офсетном печатании рисунка позволяют применять его для серийного и массового производства печатных плат.

Основания с высушенным слоем защитной краски обрабатывают в водном 10%-ном растворе двухлористого олова, погружая в него на 1—2 мин. При этом участки поверхности, не защищенные краской, подвергаются интенсивному воздействию двухлористого олова, что улучшает сцепление с основанием слоя серебра, химически осаждаемого при следующей операции. Ионы двухвалентного олова восстанавливают соли серебра. Последние образуют большое количество центров кристаллизации, что способствует последующему равномерному отложению серебра контактным способом. После обработки в растворе основания тщательно промывают проточной водой. Затем они поступают в ванну с 1%-ным раствором азотнокислого серебра, где их выдерживают в течение 1—2 мин, после чего высушивают в струе воздуха, нагретого до 50-60° С.

Следующий за этим процесс химического меднения основан на восстановлении металлической меди из водного раствора солей при воздействии восстановителей. Медь находится в водном растворе в виде комплексного соединения — куприта меди Си(ОН)₂ + 2NaOH  Na₂[Cu(OH)₄]. В качестве восстановителя применяется 40%-ный водный раствор формалина.

После химического меднения защитную краску, которой были покрыты все места основания, свободные от электропроводящих элементов схемы, снимают органическим растворителем.

Освобожденное от краски основание промывают в растворителе РДВ или в специальной моющей жидкости и на слой меди, осажденной химическим восстановителем, наращивают новый слой электролитическим способом в ванне с кислым медным электролитом [сернокислой меди — 250 г/л и серной кислоты (уд. вес 1,84) 70 г/л]. Толщина наращиваемого слоя — до 10—20 мк; увеличение толщины свыше 25 мк влечет за собой уменьшение силы сцепления металла с основанием.

Извлечение из электролита основания промывают проточной водой, сушат в струе воздуха, нагретого до 100° С.

Для защиты в период межоперационного и длительного складского хранения и для облегчения процесса пайки слой меди покрывают сплавом ПОСВ-50 горячим способом (окунанием в расплавленный припой) и затем консервирующим флюсом ПЛП.

Разъединение отдельных цепей схемы, замкнутых технологическими проводниками, производится после вырубки в основании сквозных технологических отверстий требуемых очертаний на вырубном штампе в эксцентриковом прессе за одну операцию.

Основные достоинства метода электролитического осаждения заключаются в том, что выполнение технологических операций происходит при низких температурах (последнее позволяет использовать в качестве основания нетермостойкие материалы); электрический переход с одной стороны на другую осуществляется одновременно с нанесением проводников схемы, благодаря чему исключается применение специальных деталей и дополнительных операций.

К недостаткам этого метода относится пониженная на 20—30% электропроводность токопроводящих линий; пониженная (по сравнению с фольгированным гетинаксом) прочность сцепления металла с изоляционной платой; относительно большая длительность технологического цикла и номенклатура применяемых материалов; некоторая трудность электрического соединения с навесными деталями, а также снижение электрических параметров изоляционного материала платы вследствие ряда химических воздействий на нее в процессе технологической обработки.

Метод травления фольгированного гетинакса. Технологический процесс изготовления печатных проводников методом травления фольгированного гетинакса заключается в том, что на плату из специального одностороннего или двустороннего фольгированного гетинакса любым из известных способов (методом пульверизации через трафарет, методом шелкографии или образованием схемы фотохимическими способами) наносится рисунок схемы, защищающий фольгу от действия хлорного железа, которое, воздействуя на незащищенные участки, растворяет фольгу, проявляя тем самым нанесенный рисунок схемы. После этого удаляют защитную краску или фотоэмульсию промежуточными промывками и нейтрализацией.

При изготовлении фольгированного гетинакса для печатных схем употребляется электролитическая медная фольга. Одна сторона фольги должна быть матовой для прочного склеивания с гетинаксом, а другая — достаточно гладкой, чтобы точно воспроизвести рисунок схемы и обеспечить хорошее травление. Для лучшего сцепления с гетинаксом фольгу со стороны приклеиваемой поверхности оксидируют.

Электролитическая медная фольга может быть любой ширины. Ее получают из раствора сернокислой меди с добавлением серной кислоты.

Поверхность фольги должна быть чистой, гладкой и ровной, без забоин, царапин, рисок и вмятин. На ней не допускаются следы жиров и масел, места, захватанные пальцами, проколы и отверстия.

Отклонения медной фольги по толщине (в мм) не должны превышать следующих значений:

При толщине ленты, мм Отклонение, мм

0,015 +0,002

0,020 ±0,002

0,030 -0,003

0,040 ±0,002

0,050 -0,006

0,070 +0,004

0,080 -0,008

Допустимые отклонения ленты шириной 600, 700, 1000 мм по ширине составляют ± 1,0 мм.

Технологический процесс изготовления печатных схем методом травления состоит из операций нанесения защитной пленки на фольгу в соответствии с рисунком схемы и удаления незащищенных участков фольги (травления).

Нанесение защитной пленки. Защитную пленку можно наносить несколькими способами, из них наиболее распространены фотоспособы, офсетный способ и шелкография.

При фотоспособе пленка светочувствительной эмульсии, нанесенная на фольгу, под действием сильного источника света переходит в нерастворимое состояние и приобретает кислото- и щелочеупорные свойства.

При изготовлении печатных схем применяют эмульсии, приготовленные на основе поливинилового спирта, реже на основе наволочно- эпоксидной смолы и дизопродукта, эмульсии на основе поливинилового спирта изготавливают по рецепту:

Поливиниловый спирт 70—100 г

Аммоний двухромовокислый 10—15 г

Уксусная кислота (ледяная) 2 —3 мл

Этиловый спирт 10—20 мл

Эмульгатор ОП-10 10 мл

Вода дистиллированная до 1 л

Перед нанесением эмульсии поверхность фольга зачищают влажным маршалитом, предварительно просеянным через сито № 0042—0053, промывают при помощи тампона влажной венской известью и затем после промывки проточной водой декапируют в течение 10—15 сек 5—10%-ным раствором соляной кислоты.

Рис. 11.25. Трафарет, выполненный на фотопленке или фотопластинке (светлые места соответствуют рисунку печатного монтажа)

Эмульсию наносят на фольгу поливом или погружениями. Удаление воды (сушка) и выравнивание толщины пленки эмульсии осуществляется в центрифуге.

Засвечивание эмульсии производится через трафарет со светопроницаемым рисунком печатной схемы или печатного монтажа (рис. 11.25). Негативный рисунок схемы сначала вычерчивают в увеличенном масштабе на бумаге, а затем с требуемым уменьшением фотографируют на контрастную фотопленку, которая и используется как трафарет. Для засвечивания применяют источники света с большой ультрафиолетовой зоной в спектре.

Засвеченные участки эмульсии частично полимеризуются, в результате чего повышается стойкость пленки против растворителей. Полимеризованную пленку эмульсии проявляют.

Окрашивают в метилвиолете, промывают, задубливают в хромовом ангидриде в течение 0,5—1,5 мин, промывают в проточной воде для полного удаления неполимеризовавшейся эмульсии.

Полученный защитный рисунок высушивают на воздухе. Для повышения стойкости защитной пленки основание нагревают при температуре 50—70° в течение 20—30 мин, что повышает степень полимеризации эмульсии.

Рис. 11.26. Печатная схема с индуктивностями и емкостями, выполненными на одной стороне основания:

1 — емкости; 2 — индуктивности

Промежутки между отдельными элементами печатной схемы могут быть доведены до 0,2 мм, что позволяет выполнить печатным способом емкости небольших номинальных значений на одной стороне основания (рис. 11.26). Минимальная ширина металлических проводников 0,3—0,6 мм.

Недостатком фотографического способа нанесения защитного рисунка является высокая трудоемкость.

Нанесение защитной пленки шелкографическим способом применяется в серийном производстве. Процесс осуществляется с помощью сетчатого трафарета-рамки с натянутой на нее шелковой или тонкой металлической сеткой.

Сетку покрывают светочувствительной эмульсией. На эмульсию накладывают диапозитивное изображение печатной схемы и засвечивают. Под действием света не закрытые рисунком участки эмульсии полимеризуются, изображение проявляют, как показано выше.

Готовый трафарет накладывают на основание печатной платы а через открытые ячейки сетки продавливают валиком или обжимной линейкой кислотостойкую краску, получая на поверхности фольги защитный слой нужного рисунка.

Удаление участков фольги, не покрытых защитным слоем (травление). Наиболее рациональным способом, совершенно не связанным с выделением вредных для здоровья газов, является травление водным раствором технического хлорного железа (уд. вес 1,24 г/см³). Процесс разрушения незащищенных участков медной фольги протекает следующим образом:

2FeCl₃ + Си → 2FeCl₂ + СиС1₂.

Хлористая медь (СиС1₂) переходит в раствор, смешиваясь с раствором хлористого железа (FeCl₂), в результате чего первоначальный темно-желтый цвет раствора хлористого железа становится грязно-зеленым.

Длительность процесса травления зависит от толщины фольги. Для ускорения его хлористое железо подают на фольгированное основание под давлением 1,5—2 am с подогревом до 80—90° С. Сокращение времени травления необходимо для точиого воспроизведения рисунка схемы: чем быстрее процесс, тем меньше разрушение фольги под защитным слоем.

После травления основание промывают холодной проточной водой, сушат и удаляют защитный слой.

Основное преимущество метода изготовления печатных плат травлением фольгированного гетинакса заключается в простоте технологического процесса, не требующего сложного оборудования и применения сложных химических процессов и материалов, и в получении печатных проводников высокого качества. К его недостаткам относятся: большой непроизводительный расход материала фольги вследствие перехода меди в раствор хлорного железа при травлении и трудностей восстановления меди из раствора; необходимость применения металлических соединений при переходе с одной стороны платы на другую в двусторонних схемах, а также снижение электрических параметров диэлектрика в результате воздействия активных химических продуктов.

Метод переноса. Метод переноса, позволяющий в короткие сроки организовать производство печатных схем, основывается на способности некоторых электролитов при электролизе давать на металлах и сплавах осадки, имеющие слабое сцепление с этими металлами. Таким свойством обладает, например, пирофосфорнокислый электролит меднения, который на стали с присадкой хрома при определенном режиме электролиза дает легко снимающиеся с основы осадки меди. Подобными свойствами обладают также осадки меди на алюминии и его сплавах или на нержавеющей стали из обычных сернокислых электролитов.

Если на металлическую подложку — матрицу нанести фотохимическим способом, офсетной печатью или шелкографией защитный слой, воспроизводящий рисунок схемы, то при электролизе на пробельных местах матрицы отложится медь, т. е. проводники схемы. Если наложить такую матрицу на изоляционную плату, на которую нанесен слой клея, достаточно небольшого давления, чтобы проводники схемы перешли на эту плату, так как сила сцепления медного осадка с клеем оказывается выше, нежели с матрицей.

Последующей прокаткой на валках и полимеризацией клеевой пленки повышают силу сцепления меди с платой.

Метод переноса, хотя и содержит больше технологических операций по сравнению с методом травления фольгированного гетинакса, обеспечивает более высокое качество печатных плат, и применим для любого изоляционного материала, если к нему может быть приклеена осажденная из матрицы схема.

Для изготовления печатных схем методом переноса могут быть использованы как сернокислый, так и пирофосфорнокислый электролиты меднения (табл. 14-8). В промышленности благодаря большей эффективности и меньшей стоимости более широко применяется сернокислый электролит.

Таблица 11.7

Свойства электролита

Параметры	Сернокислый электролит	Пирофосфорнокислый электролит
Предельная допустимая плотность тока без перемешивания, а/дм………………….... Рабочая температура электролита, °С.............. Выход по току................ Приготовление электролита........................... Стоимость 1 л электролита, коп.	5—6 35—45 90—95 Растворением исходных химикатов 21	3—4 50—60 80—90 С промежуточным получением пирофосфорнокислой меди 69

Матрица должна обладать небольшой силой сцепления с образовавшимися на ней медными проводниками и достаточной механической прочностью. Кроме того, материал матрицы должен быть устойчив к воздействию растворов серной кислоты, солей, щелочей и влаги. Чаще всего для матриц применяют сталь 1Х18Н9Т.

Клеи для производства печатных схем методом переноса должны обладать достаточной адгезией к меди и материалу изоляционных плат и выдерживать изменения температур от —60 до +120° С. Этим условиям лучше всего удовлетворяют клеи на основе поливиниловых и феноловых смол: БФ-2, БФ-4 и БФ-6. Клеевое соединение на БФ-4 обладает большей эластичностью.

Для переноса проводников необходимо полное прилегание их поверхности к клеевой пленке, нанесенной на плату. Нельзя допускать смещения проводников на плате во время переноса.