Металлизация ПП

Основным назначением процесса металлизации ПП является получе­ние токопроводящих участков ПП (проводников, металлизированных от­верстий, контактных площадок, концевых разъемов, ламелей и пр.), защи­та их от растравливания на операции травления меди с пробельных мест и от окисления для обеспечения паяемости ПП.

Для получения металлических покрытий в производстве ПП применяют:

А) химическую металлизацию;

Б) гальваническую металлизацию;

В) магнетронное, ионно-плазменное и другие способы напыления.

А) Химическое меднение (химическая металлизация)

Химическое меднение применяется в производстве ПП для получения тонкого (3...5 мкм) подслоя меди на стенках монтажных и переходных от­верстий, чтобы сделать их диэлектрические поверхности токопроводящими и в аддитивном методе — для получения токопроводящих участков спосо­бом селективного толстослойного (порядка 35 мкм) химического меднения непосредственно на диэлектрик.

Химическое меднение — окислительно-восстановительный автокаталити­ческий процесс, в котором в качестве катализатора на начальном этапе яв­ляется металлический палладий, а затем осажденные кристаллы меди ката­лизируют дальнейшее выделение меди, и процесс протекает самопроиз­вольно.

При этом на катоде идет восстановление меди:

,

а на аноде:

.

Параллельно происходит окисление формальдегида гидроксильными ионами с образованием газообразного водорода:

.

Суммарная реакция восстановления меди:

.

Основными требованиями к химически осажденной меди являются:

- полное покрытие стенок отверстий для исключения разрыва электрических цепей;

- хорошая адгезия слоя химической меди к диэлектрику основания для обеспечения стойкости к термоудару при пайке и перепайке;

- пластичность осадка, (относительное удлинение 6...8 %);

- мелкозернистость и плотность осадка;

- низкие внутренние напряжения;

- светло-розовый цвет;

- прочность на разрыв (333, 3...392, 4) ∙ 10⁴ Па и др.

Заготовки ПП устанавливают при помощи технологических отверстий или зажимов в подвески для химического меднения, изготовленные из коррозионностойкой стали, фторопласта, титана или полипропилена, и помещают на линию химического меднения. Она состоит из нескольких ванн для подготовки поверхности и химического меднения, в каждую из которых подвески с заготовками перемещаются по программе при помощи автооператора. Ванна для химического меднения имеет устройства поддер­жания температуры, барботирования для перемешивания раствора возду­хом, фильтрации, возвратно-поступательного перемещения заготовок для прокачивания раствора через отверстия, чтобы обеспечить полное покры­тие стенок отверстий медью.

Для химической и гальванической металлизации применяют модуль­ные линии в однорядном и двухрядном исполнении системы DYNA-PLUS КОМРАКТ 130, SCHERING, Германия (производитель­ность системы при двухрядном исполнении составляет 4 и 6 м²/ч, макси­мально покрываемая площадь — 1100 950 и 1700 950 мм, габариты — 14, 4 7, 3 4, 8 и 16, 0 7, 3 4, 8 м) и DYNA-PLUS КОМРАКТ 190 (производительность — 5 и 8 м²/ч, габариты — 11, 4 7, 3 4, 8 и 13, 1 7, 3 4, 8). На однорядных линиях процессы химического, гальванического меднения и осаждение металлорезиста осуществляют на одной линии, а в двухряд­ной — на двух. Фирма LSR GmbH (Германия) выпускает автоматизиро­ванные химико-гальванические линии и другое оборудование.

Для того чтобы осадить химическую медь на диэлектрик в отверстиях необходимо подготовить поверхность диэлектрика соответствующим образом, т. е. необходим катализатор. Операция создания на диэлектрике ката­литических частиц называется активированием.

Активирование диэлектриков может осуществляться либо последова­тельно (сначала в солях олова затем в солях палладия, в разных растворах), либо одновременно в совмещенном растворе, содержащем ионы олова и палладия. При этом на поверхности диэлектрика, на первой стадии адсор­бируются ионы двухвалентного олова (процесс сенсибилизации), а затем на второй стадии восстанавливаются ионы палладия на диэлектрике до ме­талла. После этого заготовки погружают в раствор химического меднения. При сенсибилизации сначала ионы олова адсорбируются на поверхности стенок отверстий и медной фольги на обеих сторонах ПП. Затем следует каталитическое осаждение на стенки отверстий и медной фольги сверхтон­кого слоя палладия. Далее химическим восстановлением ионов меди на стенки отверстий и фольгу осаждается тонкий слой меди толщиной 3...5 мкм. Для защиты от повреждений, для улучшения адгезии химической к гальванической меди и получения мелкодисперсного осадка в течение 1 ч проводят предварительное гальваническое меднение (5...7 мкм).

Широкое распространение получают методы «беспалладиевой метал­лизации», которые исключают применение драгоценных металлов (палла­дия):

- метод термолиза;

- сульфидный метод;

- магнетронное напыление.

Метод термолиза включает следующие основные этапы, после получе­ния заготовки из фольгированного материала и сверления отверстий:

- подготовка поверхности с использованием вибратора;

- обработка ПП в аммиачной соли гипофосфита меди;

- нагрев меди до температуры Т= 130...150 °С в термостате в течение 15...20 мин. В это время проходит реакция восстановления меди на диэлектрике толщиной порядка 0, 3 мкм. Далее ТП осуществляют в соответствии с комбинированным позитивным методом.

Конвейерные линии для термолизной металлизации выпускает АООТ НИТИ-Тесар (Саратов). На линии осуществляется нанесение рабочего рас­твора на заготовки ПП, получение токопроводящего слоя путем термиче­ского разложения фосфорсодержащей соли, удаление продуктов термиче­ского разложения из отверстий и с поверхности. Достоинствами метода термолиза является хорошая адгезия меди к диэлектрику, отсутствие разде­лительного слоя на медной фольге, отсутствие растворенных ионов тяже­лых металлов и лигандов в промывной воде.

Сульфидный метод применяют в производстве бытовой ЭА. Основные этапы метода:

- получение заготовки из фольгированного материала;

- нанесение лака;

- сверление отверстий;

- травление в растворе хромового ангидрида с серной кислотой;

- адсорбция 1 в растворе на основе сернокислой меди;

- сульфидирование 1 в растворе сернокислого натрия;

- сульфидирование 2;

- гальваническое никелирование (3...4 мкм);

- снятие лака;

- декапирование;

- гальваническое меднение (20...25 мкм).

Сульфид меди адсорбируется диэлектриком и обладает достаточной электропроводностью для проведения электрохимического никелирования.

Магнетронное напыление меди в качестве подслоя имеет следующие преимущества:

- исключает использование химических растворов;

- снижает расход меди;

- обеспечивает «сухое» безотходное производство.

Вышеперечисленные три метода используют при изготовлении ПП общего применения.

Растворы химического меднения состоят из следующих веществ:

- соль меди;

- комплексообразователь (лиганд) для связывания ионов меди и исключения осаждения меди в виде гидроокиси, так как реакция восстановления меди протекает в щелочной среде;

- восстановитель (например, формальдегид);

- стабилизатор для обеспечения длительного срока службы раствора;

- компонент, обеспечивающий необходимую величину рН раствора;

- различные добавки;

К процессу химического меднения предъявляют следующие требования:

- высокая скорость металлизации (3...4 мкм/ч);

- длительный срок службы раствора (10...12 месяцев);

- стабильность раствора;

- экономичность растворов (снижение расхода химикатов);

- простота утилизации отработанных растворов;

- минимальное влияние на окружающую среду.

В настоящее время работы по повышению качества химически осаж­денной меди ведутся в следующих направлениях:

- поиск эффективных стабилизаторов раствора;

- поиск путей повышения скорости осаждения (например, примене­ние ультразвука низкой частоты 22...44 кГц при интенсивности излучения 0, 8...1, 0 Вт/см² позволяет повысить скорость осаждения меди в 2-3 раза);

- улучшение адгезии меди к диэлектрику;

- поиск надежных активаторов стенок отверстий с поверхностно-ак­тивными веществами (ПАВ), позволяющими получать равномерные слои химической меди по всей площади металлизируемых отверстий, в том числе глубоких малого диаметра при D/H= 1: 10 и менее;

- создания автоматизированных систем дозирования компонентов рас­творов меднения, анализа их концентраций с использованием датчиков, для проведения соответствующей корректировки электролитов;

- применения недефицитных, дешевых, нетоксичных, пожаростойких химикатов.

Предварительную металлизацию стенок отверстий можно производить следующими методами:

- химического меднения (3...5 мкм) и предварительного гальванического меднения (5...7 мкм);

- химического меднения (3...5 мкм);

- термолиза;

- сульфидным методом;

- магнетронного напыления и др.

Первые два метода применяются при изготовлении прецизионных ПП, остальные – для ПП общего применения.

При изготовлении ПП аддитивным методом при толстослойном хими­ческом меднении (25...35 мкм) необходима постоянная корректировка рас­твора с помощью автоматизированной системы дозирования компонентов электролита по результатам, полученным с датчиков-анализаторов их кон­центраций.

В настоящее время находят широкое применение методы прямой ме­таллизации отверстий минуя химическое осаждение меди, в которых галь­ваническое осаждение меди производят после соответствующей подготов­ки прямо на диэлектрик.