eng
Выпуск #5/2023
Ф. Бараковский, С. Ванцов
ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДСТВ АКТИВАЦИИ-СЕНСИБИЛИЗАЦИИ ДЛЯ МЕЛКОСЕРИЙНОГО И ЕДИНИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДСТВ АКТИВАЦИИ-СЕНСИБИЛИЗАЦИИ ДЛЯ МЕЛКОСЕРИЙНОГО И ЕДИНИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Просмотры: 522
DOI: 10.22184/1992-4178.2023.226.5.126.133
В статье исследуются две системы активации-сенсибилизации ПП перед стадией прямой металлизации: активация графитом и активация комплексом на основе гипофосфита меди. Проведен сравнительный анализ этих средств с палладиевым активатором системы SYSTEM-S – одной из наиболее развитых на сегодня технологий прямой металлизации.
В статье исследуются две системы активации-сенсибилизации ПП перед стадией прямой металлизации: активация графитом и активация комплексом на основе гипофосфита меди. Проведен сравнительный анализ этих средств с палладиевым активатором системы SYSTEM-S – одной из наиболее развитых на сегодня технологий прямой металлизации.
Теги: activation direct metallization pcb metallization printed circuit boards sensitization small-scale production surface preparation активация мелкосерийное производство металлизация печатных плат печатные платы подготовка поверхности прямая металлизация сенсибилизация
Исследование средств
активации-сенсибилизации
для мелкосерийного и единичного производства печатных плат
Ф. Бараковский 1, С. Ванцов, к. т. н. 2
В настоящей работе представлено исследование доступных мелкосерийным предприятиям средств активации-сенсибилизации для процесса прямой металлизации печатных плат по критериям стадийности процесса, времени подготовки поверхности, количества необходимой оснастки, стоимости технологической операции. Также в работе исследуется качество используемых средств активации-сенсибилизации по общим параметрам: разрешающей способности, пригодности к исследованию качества металлизации с помощью инвазивных средств контроля, проводимости слоя активатора на поверхности ПП.
Полученные результаты могут быть полезны для организации мелкосерийного или единичного производства ПП с наиболее низкой стоимостью.
Введение
Производство печатных плат (ПП) является важным звеном глобальной цепочки поставок электронных устройств [1, 2]. Работоспособность, надежность и долговечность ПП в значительной мере определяются технологическими операциями металлизации, от качества которой в конечном итоге зависит качество всего устройства.
Металлизация ПП в большинстве случаев осуществляется путем химического меднения – этот процесс используют не менее 90% компаний в России [3]. Однако его реализация требует наличия громоздкой гальванической линии, состоящей как минимум из шести ванн. Их большие объемы и сложные составы содержащихся в них растворов создают сложности в обслуживании таких линий, а также в контроле состояний растворов.
Альтернативой является более перспективная, но еще недостаточно освоенная в России технология прямой металлизации [4, 5].
Наиболее распространенной системой прямой металлизации на данный момент является система на основе палладиевого активатора. При активации на отверстиях ПП создается полуколлоидальная пленка палладия, на которую впоследствии осаждается гальваническая медь. Однако растворы цикла прямой металлизации с использованием палладиевого активатора имеют большую стоимость (>80 тыс. руб. за литр), поставляются в больших объемах (от 20 л), а главное – являются для российского производства продуктом импорта. В условиях невозможности прямой покупки растворов прямой металлизации единственными альтернативами остаются параллельный импорт и переход обратно на химическое меднение. К тому же прямая металлизация также осуществляется в гальванических линиях, применение которых, в силу специфики осуществляемых на них технологических операций, оправдано только для крупносерийного производства. Приобретение расходных растворов путем параллельного импорта также проблематично для мелкосерийных предприятий и для лабораторий, в которых печатные платы изготавливаются штучно. Но в настоящее время в России основным типом производителей ПП являются именно мелкосерийные производства, а чаще – цеха в составе предприятий, для которых производство печатных узлов являются одной из составных частей изготовления основной продукции [6, 7].
В настоящей работе исследуются две системы активации-сенсибилизации ПП перед стадией прямой металлизации, а именно активация графитом и активация комплексом на основе гипофосфита меди. Проведен сравнительный анализ этих средств активации с палладиевым активатором системы SYSTEM-S, обладающей наиболее развитой на данный момент технологией прямой металлизации. Критерии, по которым проводится сравнение, следующие:
стадийность процесса;
время подготовки поверхности;
количество необходимой оснастки;
стоимость;
разрешающая способность;
пригодность к исследованию качества металлизации с помощью инвазивных средств контроля;
проводимость слоя активатора на поверхности ПП.
Процесс прямой металлизации SYSTEM-S на основе палладиевого активатора состоит из шести стадий с семью промывками между ними. Стадийность процесса представлена в табл. 1.
Процесс обеспечивает хорошую адгезию осажденного покрытия и сравнительно высокую электрическую проводимость (>1 См), при этом коллоидный характер активатора практически не имеет пределов по разрешающей способности.
У данной технологии есть и существенные недостатки. Помимо раствора активации, выполненного на основе палладия, олова (а иногда и серебра), необходимо наличие других растворов для предактивации, ускорения, стабилизации, которые невозможно регенерировать; значит, помимо высокой стоимости активатора, напрямую зависящей от стоимости входящих в него драгоценных металлов, на конечную стоимость влияют все химические реактивы системы. Эксплуатация такой системы требует также наличия шести отдельных ванн для обработки деталей на каждой стадии, не считая гальванической ванны.
Процесс занимает около 37,5 мин, время металлизации до 25 мкм при идеальных условиях при плотности 3 А / дм2 достигает 65 мин.
Одной из альтернатив палладиевой системе может выступать графитовая система активации, расходные материалы для которой могут быть изготовлены самостоятельно. Стадийность процесса отображена в табл. 2.
Процесс имеет меньше стадий по сравнению с System-S и длится приблизительно на семь минут меньше. Для графитовой активации может подойти графитовая смазка или спрей, растворенные в ацетоне, что обусловливает низкую стоимость такого решения.
Этот способ также имеет ряд существенных недостатков. Графитовое покрытие уступает в электропроводности палладиевой системе, а невозможность получить мелкодисперсный коллоидный раствор графита сказывается на разрешающей способности системы. Также графитовое покрытие обладает куда худшей адгезией. Более того, остающийся под слоем меди графит не позволяет обеспечить инвазивный контроль толщины и качества покрытия.
Еще одной системой прямой металлизации является технология на основе аммиачного комплекса гипофосфита меди. Об этом способе активации известно довольно давно [8], однако до сих пор он мало изучен даже в сравнении с графитовыми системами активации. И тем не менее использование именно этой системы активации может решить проблему невозможности эксплуатации линии прямой металлизации при отсутствии импортных реагентов.
Суть метода заключается в получении в качестве токопроводящего слоя пленки в результате термического воздействия на комплексную соль гипофосфита меди. Термическое разложение этой соли – окислительно-восстановительный процесс в твердой фазе с образованием металлической меди, гидрида меди, оксида меди. При нагревании сначала кристаллизуется соль, затем выделяется медь. Контроль полноты термолиза осуществляют визуально по цвету образовавшегося осадка. Цвет внутри отверстий и на активированной поверхности ПП должен быть от темно-коричневого до черного. Затем осуществляется струйная промывка проточной водой. Продукты разложения удаляются с поверхности фольги механическим путем – посредством очистки влажной смесью шлифовальной извести и маршаллита. Затем проводится гальваническое меднение и все последующие стандартные операции.
Стадийность процесса отражена в табл. 3. Из таблицы видно, что этот процесс занимает существенно меньше времени в сравнении с другими описанными процессами, а также имеет меньше стадий. Из дополнительных реагентов требуется только раствор травления, имеющийся на любом предприятии или участке, выполняющем изготовление ПП хотя бы субтрактивным методом.
Данная система активации имеет ряд уникальных преимуществ:
исключается из процесса металлизации гальваническая затяжка, что приводит к значительному экономическому эффекту: отпадает необходимость в дорогих растворах;
возрастает производительность технологической линии металлизации до этапа гальванической металлизации, поскольку некоторое количество металлической меди осаждается из соли уже на этапе активации как один из компонентов формируемой токопроводящей пленки.
повышается качество металлизации и надежность печатных плат, поскольку исключено контактное выделение палладия на незащищенных участках плат.
Недостатки системы следующие:
наблюдаются разрывы металлизации в месте стыковки металлизированного отверстия и контактной площадки на поверхности ПП;
существует трудность удаления продуктов термолиза как из отверстий, так и с поверхности фольги, что создает препятствия для использования системы в полностью аддитивных технологиях изготовления многослойных ПП.
Из проведенного анализа следует вывод, что в задачах прототипирования в качестве альтернативы прямой металлизации на основе палладиевого активатора можно рассматривать и графитовую систему, и систему на основе гипофосфита меди (ГФМ). При этом для наиболее ответственных задач единственной альтернативой является система прямой металлизации на основе комплекса ГФМ.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Вышеизложенные общие положения экспериментально проверялись при исследовании качества металлизации монтажных отверстий на печатной плате.
Для этих целей был синтезирован электролит следующего состава:
CuSO4 × 5H20: 90 г/л;
H2SO4 плотность 1,84 гр./см3: 200 г/л;
NaCL: 0,125 г/л;
добавка J-PLATE CU‑400: 6 мл/л;
вода: 703,875 г/л.
Использовались две заготовки из стеклотекстолита толщиной 2 мм и площадью 1 дм2 с отверстиями диаметром 1, 0,8, 0,5, 0,3 мм (по 10 отверстий каждого диаметра). В дальнейшем будет использоваться характеристическое отношение, представляющее собой отношение диаметра отверстия к его глубине. Например, характеристическое отношение для отверстия диаметром 0,5 мм глубиной в 2 мм будет равно 4 : 1.
Далее заготовки были подготовлены к электрохимической металлизации по графитовой системе и системе на основе комплекса ГФМ в соответствии с табл. 2 и 3. Заготовки поочередно подвергались операции электрохимического меднения в гальванической ванне в объеме синтезированного электролита в течение 65 мин при токе 3 А / дм2.
Внешний вид металлизированных отверстий диаметра 0,5 мм для графитовой системы и системы на основе комплекса ГФМ приведен на рис. 1. На фотографии видно, что на активированной графитом детали металлизированная поверхность шершавая и неровная, особенно в отверстиях и рядом с ними. Это вызвано недостаточной дисперсией наносимого графита. Это видится препятствием для металлизации отверстий с большим характеристическим соотношением. Деталь, активированная с помощью комплекса ГФМ, показывает более равномерное покрытие. Неравномерность цвета осажденной меди объясняется естественными подтравами детали в кислотной среде электролита при сильно различающихся поляризациях в разных частях детали.
Контроль состояния металлизации осуществлялся двумя методами: инвазивным и неинвазивным.
Неинвазивный метод контроля состоял в использовании компьютерной томографии образцов для выявления дефектов металлизации и контроля толщины осажденного покрытия. Этот метод являлся основным ввиду существенно меньшего затрачиваемого времени на контроль параметров и возможности получить трехмерную картину образца с высоким разрешением.
Инвазивный метод контроля заключался в изготовлении микрошлифов отверстий с целью выявления пригодности инвазивных (разрушающих) средств контроля к исследуемой системе прямой металлизации, а также для создания поправочных коэффициентов в случае, если калибровка системы рентгеновского контроля была бы неточной.
Первой исследовалась графитовая система прямой металлизации. При изготовлении микрошлифов выявлено, что этот метод контроля металлизации не пригоден к использованию в исследуемой системе. Оставшийся под слоем осажденного медного покрытия графит крошится в момент изготовления микрошлифа, разрушая тем самым осажденное покрытие. На рис. 2 представлен микрошлиф отверстия диаметром 0,5 мм, при изготовлении которого часть металлизации потеряна вследствие разрушения графитового слоя. Это также говорит о плохой адгезии покрытия, осаждаемого этим способом.
Толщина осажденного покрытия при изготовлении ПП за весь цикл металлизации методом на основе графита составляет не более 20 мкм, что сулит большие затраты времени на цикл металлизации по сравнению с палладиевой системой, в которой за тот же временной цикл при токе в 3 А/дм2 осаждается не менее 25 мкм меди.
В дальнейшем исследовались металлизированные отверстия, полученные при активации комплексом ГФМ. На рис. 3 продемонстрирована нижняя и верхняя части отверстия. Слой металлизации плотно прилегает к текстолитовому основанию, отсутствуют разрывы металлизации. Также проведен анализ деталей с помощью компьютерной томографии (КТ) для исследования равномерности осажденного покрытия. Скриншот реконструкции компьютерной томограммы (для отверстия диаметром 0,5 мм) представлен на рис. 4, где изображен срез двух отверстий на трехмерной реконструкции КТ.
Разрывов внутри отверстий обнаружено не было, однако наблюдаются дефекты в виде неравномерности покрытия некоторых отверстий (рис. 5), которых можно избежать добавлением в электролит специальных выравнивающих добавок [9].
Данные о минимальной толщине покрытия при осаждении в течение 65 мин при токе 3 А/дм2 для отверстий разных характеристических отношений обобщены в табл. 4.
Из проведенных опытов можно сделать вывод, что в качестве альтернативы палладиевой системы прямой металлизации имеет смысл рассматривать только систему на основе комплекса ГФМ, так как графитовая система прямой металлизации не поддается контролю толщины и равномерности осажденного покрытия с помощью микрошлифов и не показала достаточной адгезии, так что слой металлизации рушится даже при изготовлении шлифа.
Заготовка, активированная комплексом ГФМ, показала неразрывное покрытие. Полученная минимальная толщина металлизации отверстий с соотношением 4 : 1, равная 40 мкм, существенно больше, чем типичное значение толщины покрытия для палладиевого активатора за тот же цикл – 25 мкм. Можно сделать вывод, что использование активатора на основе комплекса ГФМ позволит уменьшить время изготовления ПП ввиду сокращения времени подготовки поверхности к металлизации больше чем в 2,5 раза.
Анализ результатов и выводы
В результате анализа стадийности процессов прямой металлизации выявлено, что предложенные альтернативные системы прямой металлизации требуют сравнительно меньше времени для подготовки поверхности. Наиболее «выигрывает по времени» система прямой металлизации на основе ГФМ, время подготовки поверхности в этой системе составляет всего 820 с, что более чем в 2,5 раза меньше в сравнении с палладиевой системой SYSTEM-S. Сокращение цикла подготовки детали к металлизации дает основания ожидать в конечном итоге уменьшения времени изготовления ПП.
В результате экспериментов получены металлизированные образцы ПП с отверстиями с характеристическими отношениями 6,7 : 1, 4 : 1, 2,5 : 1 и 2 : 1. Минимальная толщина осажденного покрытия для активированной графитом детали составила 10 мкм, максимальная – 20 мкм. Этот показатель ниже, чем при металлизации активированной палладием детали, в результате которой при тех же входных параметрах среднее значение толщины металлизации составляет 25 мкм. В ходе экспериментов выявлено также, что к инвазивным средствам контроля качества металлизации образцы, изготовленные с помощью графита, непригодны, так как графитовое покрытие крошится при их изготовлении, разрушая также слой металлизации.
Для детали, активированной с помощью комплекса ГФМ, минимальная толщина осажденного покрытия существенно выше в сравнении с палладиевой системой. Так, например, для отверстия с характеристическим отношением 4 : 1 минимальная полученная толщина металлизации составляет 40 мкм. Исходя из средней толщины покрытия палладиевой системы в 25 мкм, можно сказать, что металлизация ПП с помощью ГФМ проходит существенно быстрее.
ЛИТЕРАТУРА
Флёров В. Н. Химическая технология в производстве радиоэлектронных деталей. М.: Радио и связь, 1988. 106 с.
Vasilyev F., Isaev V. and Korobkov M. The Influence of the PCB Design and the Process of their Manufacturing on the Possibility of a Defect-Free Production // Przeglad Elektrotechniczny. 2021. No. 97 (3). РР. 91–96. https://doi.org/10.15199/48.2021.03.18
Медведев А. М. и др. Системы прямой металлизации // Компоненты и технологии. 2003. № 4.
Медведев А. Каким быть российскому производству электроники? Ч. 1 // Компоненты и технологии. 2007. № 69. С. 231–238.
Бараковский Ф. А. Струйный метод получения проводящего рисунка печатных плат // 12‑й Всероссийский конкурс «Молодежь и будущее авиации и космонавтики – 2020». 23–27 ноября 2020 года. М.: Сборник аннотаций конкурсных работ.
Медведев А. Технология производства печатных плат. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2005. 360 с.
Информационно-аналитический «Центр современной электроники». Отчет исследования российского рынка печатных плат // ООО «СОВЭЛ», 2018. 90 с.
А. С. 921124 СССР, М. Кл. Н 05 K 3/10. Способ металлизации отверстий печатных плат / Ю. И. Михайлов, А. М. Маккаев, О. И. Ломовский, В. В. Болдырев. – № 2772501/18–21; заявл. 19.06.79; опубл. 17.04.82, Бюл. № 14. – 3 с.
Слипченко Н. И., Юзвишин В. Ф. Исследование процессов скоростной металлизации печатных плат и путей ее реализации // Радиоэлектроника и информатика. 1999. № 4. C. 26–30.
активации-сенсибилизации
для мелкосерийного и единичного производства печатных плат
Ф. Бараковский 1, С. Ванцов, к. т. н. 2
В настоящей работе представлено исследование доступных мелкосерийным предприятиям средств активации-сенсибилизации для процесса прямой металлизации печатных плат по критериям стадийности процесса, времени подготовки поверхности, количества необходимой оснастки, стоимости технологической операции. Также в работе исследуется качество используемых средств активации-сенсибилизации по общим параметрам: разрешающей способности, пригодности к исследованию качества металлизации с помощью инвазивных средств контроля, проводимости слоя активатора на поверхности ПП.
Полученные результаты могут быть полезны для организации мелкосерийного или единичного производства ПП с наиболее низкой стоимостью.
Введение
Производство печатных плат (ПП) является важным звеном глобальной цепочки поставок электронных устройств [1, 2]. Работоспособность, надежность и долговечность ПП в значительной мере определяются технологическими операциями металлизации, от качества которой в конечном итоге зависит качество всего устройства.
Металлизация ПП в большинстве случаев осуществляется путем химического меднения – этот процесс используют не менее 90% компаний в России [3]. Однако его реализация требует наличия громоздкой гальванической линии, состоящей как минимум из шести ванн. Их большие объемы и сложные составы содержащихся в них растворов создают сложности в обслуживании таких линий, а также в контроле состояний растворов.
Альтернативой является более перспективная, но еще недостаточно освоенная в России технология прямой металлизации [4, 5].
Наиболее распространенной системой прямой металлизации на данный момент является система на основе палладиевого активатора. При активации на отверстиях ПП создается полуколлоидальная пленка палладия, на которую впоследствии осаждается гальваническая медь. Однако растворы цикла прямой металлизации с использованием палладиевого активатора имеют большую стоимость (>80 тыс. руб. за литр), поставляются в больших объемах (от 20 л), а главное – являются для российского производства продуктом импорта. В условиях невозможности прямой покупки растворов прямой металлизации единственными альтернативами остаются параллельный импорт и переход обратно на химическое меднение. К тому же прямая металлизация также осуществляется в гальванических линиях, применение которых, в силу специфики осуществляемых на них технологических операций, оправдано только для крупносерийного производства. Приобретение расходных растворов путем параллельного импорта также проблематично для мелкосерийных предприятий и для лабораторий, в которых печатные платы изготавливаются штучно. Но в настоящее время в России основным типом производителей ПП являются именно мелкосерийные производства, а чаще – цеха в составе предприятий, для которых производство печатных узлов являются одной из составных частей изготовления основной продукции [6, 7].
В настоящей работе исследуются две системы активации-сенсибилизации ПП перед стадией прямой металлизации, а именно активация графитом и активация комплексом на основе гипофосфита меди. Проведен сравнительный анализ этих средств активации с палладиевым активатором системы SYSTEM-S, обладающей наиболее развитой на данный момент технологией прямой металлизации. Критерии, по которым проводится сравнение, следующие:
стадийность процесса;
время подготовки поверхности;
количество необходимой оснастки;
стоимость;
разрешающая способность;
пригодность к исследованию качества металлизации с помощью инвазивных средств контроля;
проводимость слоя активатора на поверхности ПП.
Процесс прямой металлизации SYSTEM-S на основе палладиевого активатора состоит из шести стадий с семью промывками между ними. Стадийность процесса представлена в табл. 1.
Процесс обеспечивает хорошую адгезию осажденного покрытия и сравнительно высокую электрическую проводимость (>1 См), при этом коллоидный характер активатора практически не имеет пределов по разрешающей способности.
У данной технологии есть и существенные недостатки. Помимо раствора активации, выполненного на основе палладия, олова (а иногда и серебра), необходимо наличие других растворов для предактивации, ускорения, стабилизации, которые невозможно регенерировать; значит, помимо высокой стоимости активатора, напрямую зависящей от стоимости входящих в него драгоценных металлов, на конечную стоимость влияют все химические реактивы системы. Эксплуатация такой системы требует также наличия шести отдельных ванн для обработки деталей на каждой стадии, не считая гальванической ванны.
Процесс занимает около 37,5 мин, время металлизации до 25 мкм при идеальных условиях при плотности 3 А / дм2 достигает 65 мин.
Одной из альтернатив палладиевой системе может выступать графитовая система активации, расходные материалы для которой могут быть изготовлены самостоятельно. Стадийность процесса отображена в табл. 2.
Процесс имеет меньше стадий по сравнению с System-S и длится приблизительно на семь минут меньше. Для графитовой активации может подойти графитовая смазка или спрей, растворенные в ацетоне, что обусловливает низкую стоимость такого решения.
Этот способ также имеет ряд существенных недостатков. Графитовое покрытие уступает в электропроводности палладиевой системе, а невозможность получить мелкодисперсный коллоидный раствор графита сказывается на разрешающей способности системы. Также графитовое покрытие обладает куда худшей адгезией. Более того, остающийся под слоем меди графит не позволяет обеспечить инвазивный контроль толщины и качества покрытия.
Еще одной системой прямой металлизации является технология на основе аммиачного комплекса гипофосфита меди. Об этом способе активации известно довольно давно [8], однако до сих пор он мало изучен даже в сравнении с графитовыми системами активации. И тем не менее использование именно этой системы активации может решить проблему невозможности эксплуатации линии прямой металлизации при отсутствии импортных реагентов.
Суть метода заключается в получении в качестве токопроводящего слоя пленки в результате термического воздействия на комплексную соль гипофосфита меди. Термическое разложение этой соли – окислительно-восстановительный процесс в твердой фазе с образованием металлической меди, гидрида меди, оксида меди. При нагревании сначала кристаллизуется соль, затем выделяется медь. Контроль полноты термолиза осуществляют визуально по цвету образовавшегося осадка. Цвет внутри отверстий и на активированной поверхности ПП должен быть от темно-коричневого до черного. Затем осуществляется струйная промывка проточной водой. Продукты разложения удаляются с поверхности фольги механическим путем – посредством очистки влажной смесью шлифовальной извести и маршаллита. Затем проводится гальваническое меднение и все последующие стандартные операции.
Стадийность процесса отражена в табл. 3. Из таблицы видно, что этот процесс занимает существенно меньше времени в сравнении с другими описанными процессами, а также имеет меньше стадий. Из дополнительных реагентов требуется только раствор травления, имеющийся на любом предприятии или участке, выполняющем изготовление ПП хотя бы субтрактивным методом.
Данная система активации имеет ряд уникальных преимуществ:
исключается из процесса металлизации гальваническая затяжка, что приводит к значительному экономическому эффекту: отпадает необходимость в дорогих растворах;
возрастает производительность технологической линии металлизации до этапа гальванической металлизации, поскольку некоторое количество металлической меди осаждается из соли уже на этапе активации как один из компонентов формируемой токопроводящей пленки.
повышается качество металлизации и надежность печатных плат, поскольку исключено контактное выделение палладия на незащищенных участках плат.
Недостатки системы следующие:
наблюдаются разрывы металлизации в месте стыковки металлизированного отверстия и контактной площадки на поверхности ПП;
существует трудность удаления продуктов термолиза как из отверстий, так и с поверхности фольги, что создает препятствия для использования системы в полностью аддитивных технологиях изготовления многослойных ПП.
Из проведенного анализа следует вывод, что в задачах прототипирования в качестве альтернативы прямой металлизации на основе палладиевого активатора можно рассматривать и графитовую систему, и систему на основе гипофосфита меди (ГФМ). При этом для наиболее ответственных задач единственной альтернативой является система прямой металлизации на основе комплекса ГФМ.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Вышеизложенные общие положения экспериментально проверялись при исследовании качества металлизации монтажных отверстий на печатной плате.
Для этих целей был синтезирован электролит следующего состава:
CuSO4 × 5H20: 90 г/л;
H2SO4 плотность 1,84 гр./см3: 200 г/л;
NaCL: 0,125 г/л;
добавка J-PLATE CU‑400: 6 мл/л;
вода: 703,875 г/л.
Использовались две заготовки из стеклотекстолита толщиной 2 мм и площадью 1 дм2 с отверстиями диаметром 1, 0,8, 0,5, 0,3 мм (по 10 отверстий каждого диаметра). В дальнейшем будет использоваться характеристическое отношение, представляющее собой отношение диаметра отверстия к его глубине. Например, характеристическое отношение для отверстия диаметром 0,5 мм глубиной в 2 мм будет равно 4 : 1.
Далее заготовки были подготовлены к электрохимической металлизации по графитовой системе и системе на основе комплекса ГФМ в соответствии с табл. 2 и 3. Заготовки поочередно подвергались операции электрохимического меднения в гальванической ванне в объеме синтезированного электролита в течение 65 мин при токе 3 А / дм2.
Внешний вид металлизированных отверстий диаметра 0,5 мм для графитовой системы и системы на основе комплекса ГФМ приведен на рис. 1. На фотографии видно, что на активированной графитом детали металлизированная поверхность шершавая и неровная, особенно в отверстиях и рядом с ними. Это вызвано недостаточной дисперсией наносимого графита. Это видится препятствием для металлизации отверстий с большим характеристическим соотношением. Деталь, активированная с помощью комплекса ГФМ, показывает более равномерное покрытие. Неравномерность цвета осажденной меди объясняется естественными подтравами детали в кислотной среде электролита при сильно различающихся поляризациях в разных частях детали.
Контроль состояния металлизации осуществлялся двумя методами: инвазивным и неинвазивным.
Неинвазивный метод контроля состоял в использовании компьютерной томографии образцов для выявления дефектов металлизации и контроля толщины осажденного покрытия. Этот метод являлся основным ввиду существенно меньшего затрачиваемого времени на контроль параметров и возможности получить трехмерную картину образца с высоким разрешением.
Инвазивный метод контроля заключался в изготовлении микрошлифов отверстий с целью выявления пригодности инвазивных (разрушающих) средств контроля к исследуемой системе прямой металлизации, а также для создания поправочных коэффициентов в случае, если калибровка системы рентгеновского контроля была бы неточной.
Первой исследовалась графитовая система прямой металлизации. При изготовлении микрошлифов выявлено, что этот метод контроля металлизации не пригоден к использованию в исследуемой системе. Оставшийся под слоем осажденного медного покрытия графит крошится в момент изготовления микрошлифа, разрушая тем самым осажденное покрытие. На рис. 2 представлен микрошлиф отверстия диаметром 0,5 мм, при изготовлении которого часть металлизации потеряна вследствие разрушения графитового слоя. Это также говорит о плохой адгезии покрытия, осаждаемого этим способом.
Толщина осажденного покрытия при изготовлении ПП за весь цикл металлизации методом на основе графита составляет не более 20 мкм, что сулит большие затраты времени на цикл металлизации по сравнению с палладиевой системой, в которой за тот же временной цикл при токе в 3 А/дм2 осаждается не менее 25 мкм меди.
В дальнейшем исследовались металлизированные отверстия, полученные при активации комплексом ГФМ. На рис. 3 продемонстрирована нижняя и верхняя части отверстия. Слой металлизации плотно прилегает к текстолитовому основанию, отсутствуют разрывы металлизации. Также проведен анализ деталей с помощью компьютерной томографии (КТ) для исследования равномерности осажденного покрытия. Скриншот реконструкции компьютерной томограммы (для отверстия диаметром 0,5 мм) представлен на рис. 4, где изображен срез двух отверстий на трехмерной реконструкции КТ.
Разрывов внутри отверстий обнаружено не было, однако наблюдаются дефекты в виде неравномерности покрытия некоторых отверстий (рис. 5), которых можно избежать добавлением в электролит специальных выравнивающих добавок [9].
Данные о минимальной толщине покрытия при осаждении в течение 65 мин при токе 3 А/дм2 для отверстий разных характеристических отношений обобщены в табл. 4.
Из проведенных опытов можно сделать вывод, что в качестве альтернативы палладиевой системы прямой металлизации имеет смысл рассматривать только систему на основе комплекса ГФМ, так как графитовая система прямой металлизации не поддается контролю толщины и равномерности осажденного покрытия с помощью микрошлифов и не показала достаточной адгезии, так что слой металлизации рушится даже при изготовлении шлифа.
Заготовка, активированная комплексом ГФМ, показала неразрывное покрытие. Полученная минимальная толщина металлизации отверстий с соотношением 4 : 1, равная 40 мкм, существенно больше, чем типичное значение толщины покрытия для палладиевого активатора за тот же цикл – 25 мкм. Можно сделать вывод, что использование активатора на основе комплекса ГФМ позволит уменьшить время изготовления ПП ввиду сокращения времени подготовки поверхности к металлизации больше чем в 2,5 раза.
Анализ результатов и выводы
В результате анализа стадийности процессов прямой металлизации выявлено, что предложенные альтернативные системы прямой металлизации требуют сравнительно меньше времени для подготовки поверхности. Наиболее «выигрывает по времени» система прямой металлизации на основе ГФМ, время подготовки поверхности в этой системе составляет всего 820 с, что более чем в 2,5 раза меньше в сравнении с палладиевой системой SYSTEM-S. Сокращение цикла подготовки детали к металлизации дает основания ожидать в конечном итоге уменьшения времени изготовления ПП.
В результате экспериментов получены металлизированные образцы ПП с отверстиями с характеристическими отношениями 6,7 : 1, 4 : 1, 2,5 : 1 и 2 : 1. Минимальная толщина осажденного покрытия для активированной графитом детали составила 10 мкм, максимальная – 20 мкм. Этот показатель ниже, чем при металлизации активированной палладием детали, в результате которой при тех же входных параметрах среднее значение толщины металлизации составляет 25 мкм. В ходе экспериментов выявлено также, что к инвазивным средствам контроля качества металлизации образцы, изготовленные с помощью графита, непригодны, так как графитовое покрытие крошится при их изготовлении, разрушая также слой металлизации.
Для детали, активированной с помощью комплекса ГФМ, минимальная толщина осажденного покрытия существенно выше в сравнении с палладиевой системой. Так, например, для отверстия с характеристическим отношением 4 : 1 минимальная полученная толщина металлизации составляет 40 мкм. Исходя из средней толщины покрытия палладиевой системы в 25 мкм, можно сказать, что металлизация ПП с помощью ГФМ проходит существенно быстрее.
ЛИТЕРАТУРА
Флёров В. Н. Химическая технология в производстве радиоэлектронных деталей. М.: Радио и связь, 1988. 106 с.
Vasilyev F., Isaev V. and Korobkov M. The Influence of the PCB Design and the Process of their Manufacturing on the Possibility of a Defect-Free Production // Przeglad Elektrotechniczny. 2021. No. 97 (3). РР. 91–96. https://doi.org/10.15199/48.2021.03.18
Медведев А. М. и др. Системы прямой металлизации // Компоненты и технологии. 2003. № 4.
Медведев А. Каким быть российскому производству электроники? Ч. 1 // Компоненты и технологии. 2007. № 69. С. 231–238.
Бараковский Ф. А. Струйный метод получения проводящего рисунка печатных плат // 12‑й Всероссийский конкурс «Молодежь и будущее авиации и космонавтики – 2020». 23–27 ноября 2020 года. М.: Сборник аннотаций конкурсных работ.
Медведев А. Технология производства печатных плат. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2005. 360 с.
Информационно-аналитический «Центр современной электроники». Отчет исследования российского рынка печатных плат // ООО «СОВЭЛ», 2018. 90 с.
А. С. 921124 СССР, М. Кл. Н 05 K 3/10. Способ металлизации отверстий печатных плат / Ю. И. Михайлов, А. М. Маккаев, О. И. Ломовский, В. В. Болдырев. – № 2772501/18–21; заявл. 19.06.79; опубл. 17.04.82, Бюл. № 14. – 3 с.
Слипченко Н. И., Юзвишин В. Ф. Исследование процессов скоростной металлизации печатных плат и путей ее реализации // Радиоэлектроника и информатика. 1999. № 4. C. 26–30.
Отзывы читателей
