Травление меди с пробельных мест

Травление в производстве ПП — процесс химического разрушения ме­талла (в основном меди) в результате действия жидких или газообразных травителей на участки поверхности заготовки незащищенные защитной маской (травильным резистом). Травление представляет собой сложный окислительно-восстановительный процесс, который применяют для фор­мирования проводящего рисунка ПП путем удаления меди с незащищен­ных травильным резистом участков. Это одна из основных операций изго­товления ПП, так как на ней происходит формирование рисунка печатных элементов (проводников, контактных площадок и пр.), точность выполне­ния которых влияет на электрические характеристики ПП. Кроме того, брак на этой операции (растравливание проводников, уменьшение шири­ны за счет подтравливания проводников, площади поперечного сечения и пр.) является необратимым.

Одним из дефектов при травлении является боковое подтравливание проводников и контактных площадок в соответствии с рисунком 29

 

1 — ширина проводника по рабочему ФШ; 2 — ширина проводника; 3 — осаждение металлорезиста; 4 — материал основания; 5 — под­травливание; 6— разрастание; 7— нависание; 8 — проводник

Рисунок 29 - Сечение проводника после травления

Величина бокового подтравливания оценивается фактором травления, который представляет собой отношение толщины проводника 8 к величине подтравливания проводника 5. Величина подтравливания составляет при­мерно 40...70 % от толщины медного слоя, что приводит к зауживанию проводников и нависанию травильного резиста. Эти явления необходимо учитывать при конструировании, в частности, при выборе толщины мед­ной фольги. Применение материалов с тонкомерной медной фольгой (5 мкм) значительно снижает боковое подтравливание.

В качестве травильных резистов применяют:

- трафаретную краску, которая наносится сеткографическим способом;

- фоторезист (СПФ или жидкий) — фотохимический способ нанесения;

- металлорезист (олово—свинец, олово, свинец, золото и др.), который наносится электрохимическим способом.

Основными этапами процесса химического травления являются:

- подготовка поверхности для удаления остатков недопроявленного фоторезиста, жировых пятен, оксидных слоев для обеспечения равномерности травления меди;

- химическое травление, в котором главную роль играет травильный раствор, как окислитель;

- промывка;

- осветление поверхности металлорезиста (при необходимости) в растворах на основе кислот или тиомочевины;

- удаление защитного слоя фоторезиста, трафаретной краски или металлорезиста (в SMOBS-процессах); способ удаления определяется типом травильного резиста: растворы соляной кислоты, перекиси во­дорода, органические растворители с дополнительным механическим воздействием щетками.

Химическое травление меди может выполняться несколькими способами:

- погружением в травильный раствор; недостатки: большое подтравливание проводников, так как раствор воздействует со всех сторон; низкая производительность;

- наплескиванием травильного раствора; недостаток — низкий коэф­фициент использования раствора;

- струйное травление; достоинства: высокая скорость травления, ак­тивное использование всего раствора, незначительное подтравливание, так как раствор воздействует почти перпендикулярно поверхно­сти заготовки и практически не попадает сбоку на торцы проводни­ков; недостаток — разное качество травления на верхней и нижней сторонах заготовки вследствие неодинаковых условий динамического воздействия раствора (сверху — пленка, снизу — капли);

- травление на установках с вертикальным положением заготовки во время травления; достоинства: высокое качество при травлении заго­товок с минимальными размерами элементов печатного монтажа; недостаток — необходимость использования платодержателей.

В результате химического травления участки меди, незащищенные тра­вильным резистом, вытравливаются травильным раствором, и на заготов­ках остаются только токопроводящие участки в соответствии с рисунком 30

 

 

а — до травления; б — после травления

Рисунок 30 - Заготовка ПП

 

Для получения тонких проводников толщиной 0, 08...0, 05 мм, необхо­димых для монтажа ПМК с малым шагом выводов, возможно примене­ние полуаддитивного метода с дифференциальным травлением, практи­чески исключающим боковое подтравливание проводников. Сущность его заключается в том, что поверхность проводников на операции трав­ления не защищена травильным резистом, и медь стравливается на тол­щину фольги (или нанесенного подслоя химической меди) на 5 мкм по всей поверхности ПП. Недостаток — нечеткость краев и растравливание проводников из-за различной толщины гальванической меди на поверх­ности ПП.

Основными факторами, определяющими качество травления, являются: состав травильного раствора; применяемое оборудование; способ трав­ления; режимы травления (темпера­тура, время, скорость травления); степень насыщенности травильного раствора продуктами травления; ка­чество защитного травильного резиста и пр.

К травильным растворам предъявляют следующие требования:

- высокая и стабильная скорость травления для обеспечения высокой производительности процесса;

- совместимость с травильными резистами;

- минимальное боковое подтравливание проводников;

- дешевизна и недефицитность химикатов;

- возможность утилизации меди из отработанных растворов;

- легкость отмывки;

- максимальная «емкость» (количество стравленного металла на еди­ницу объема раствора);

- минимальное воздействие на диэлектрик и травильный резист;

- способность к корректировке и регенерации;

- минимальное воздействие на окружающую среду;

- замкнутый цикл регенерации отработанных растворов.

Наиболее широко применяют травильные растворы на основе хлорного железа, кислые и щелочные растворы хлорной меди, растворы на основе персульфата аммония, железо-медно-хлоридные растворы и др.

Раствор хлорного железа FeCl₃. Достоинства: высокая скорость травле­ния, малая величина бокового подтравливания, высокая четкость контура рисунка, активность при высоком содержании в нем растворенной меди, малое содержание токсичных веществ по сравнению с другими травителями, низкая стоимость, разработано много методов регенерации и ути­лизации отработанных растворов. Недостатки: сложность удаления с по­верхности тонкого, плотного слоя гидрата оксида железа, снижающего сопротивление изоляции и загрязняющего раствор; неустойчивость (несо­вместимость) к данному травителю сплава олово—свинец, широко при­меняемому в качестве металлорезиста; в качестве травильных резистов для раствора хлорного железа применяют трафаретные краски, фоторези­сты, золото, золото—никель, серебро.

Персульфат аммония (NH₄)S₂O₈. Достоинства: устойчивость сплава олово—свинец и серебра, простота приготовления и регенерации, низкая стоимость; недостатки: большое боковое подтравливание проводников, об­разование труднорастворимых медных комплексных соединений, необхо­димость стабилизации теплового режима и пр. Применяют с трафаретны­ми красками, фоторезистами, золотом, золото—никелем, серебром в каче­стве травильных резистов.

Хлорная медь СuС1₂ (кислые и щелочные растворы). Достоинства: не­значительное боковое подтравливание, высокая скорость травления; про­стота приготовления, отмывки и регенерации в закрытой системе, низкая стоимость, отсутствие шлама, высокая «емкость» (высокий предел насыще­ния раствора медью). Применяют с трафаретными красками, фоторезиста­ми (СПФ и некоторыми другими), серебром, олово—никелем, золотом, зо­лото—никелем. Недостаток — несовместимость со сплавом олово—свинец.

Хлорит натрия NaClO₂. Достоинства: высокая скорость травления, «ем­кость» раствора, незначительное боковое подтравливание, возможность применения практически всех травильных резистов, кроме щелочеустойчивых фоторезистов и трафаретных красок. Недостатки: неустойчивость и са­моразложение раствора.

Установки травления изготавливают в виде отдельного модуля или в виде модульной системы. Наиболее часто травление осуществляют на уста­новках струйного травления, встроенных в модульную линию в соответствии с рисунком 31

 

1 — загрузка ПП; 2 — камера травления; 3 — ПП; 4— отмывка; 5— сушка; 6— разгрузка; 7— конвейер

Рисунок 31 - Схема системы модульного травления

Модульные системы собираются из отдельных модулей, каждый из ко­торых является самостоятельным устройством и имеет систему труб, собст­венный привод, электрические разъемы, конвейер, разбрызгиватели, про­граммируемый логический контроллер, который может быть дополнен ин­терфейсом. В результате можно собрать полностью автоматизированную систему, управляемую центральным компьютером.

В модулях щелочного травления осуществляется автоматический кон­троль величины рН раствора. В модулях кислотного травления производит­ся регенерация раствора на основе хлорида меди. Одним из разработчиков модульных горизонтальных конвейерных установок для «мокрых» процес­сов изготовления ПП, в частности, травления является фирма Pill (Герма­ния), использующая стандартные модули загрузки-выгрузки, промывки, сушки, контроля и др.

Электрохимическое травление меди с пробельных мест основано на анодном растворении меди с последующим восстановлением ионов меди на катоде. Достоинствами такого травления являются незначительное бо­ковое подтравливание, высокая скорость и стабильность процесса в тече­ние длительного времени, экономичность, возможность автоматизации и пр. Недостатки — неравномерность удаления металла и образование невытравленных участков, высокая стоимость оборудования и др.