Технологии в электронной промышленности №3'2010

Травление и защитные металлорезисты в производстве печатных плат

Валентин Терешкин

Жанетта Фантгоф

Лилия Григорьева

Решение экологических проблем по-прежнему остается в центре внимания всех производителей. В области производства печатных плат это связывается в первую очередь с процессами регенерации растворов травления и утилизации накапливающейся в них меди. В статье авторы еще раз обращаются к вопросу электрохимической регенерации аммиачно-сульфатного раствора травления и опыту создания для этих целей отечественного оборудования.

Широко используемая субтрактивная технология изготовления печатных плат предусматривает удаление меди с «пробельных» мест путем травления ее в растворе, распыляемом на поверхность заготовки. При этом качество выполнения процесса травления и достигаемые характеристики в значительной степени определяются как конструктивными особенностями оборудования, так и составом применяемых травителей и режимами травления.

Общеизвестно, что при выборе травителя необходимо обращать внимание в первую очередь на совместимость травильного раствора с резистом, защищающим проводящий рисунок от воздействия травителя. Поэтому для травления плат, на которых в качестве защиты при травлении используются металлорезисты (олово, сплав олово-свинец, никель-серебро), применяют обычно щелочные травители, практически не воздействующие на металлорезисты.

Металлорезисты в виде гальванических осадков олова или сплава олово-свинец в технологии изготовления ПП с защитной маской используются в качестве временного покрытия, необходимого только на этапе защиты медного проводящего рисунка при травлении меди, после чего удаляются с платы. На последующих стадиях не закрытые маской элементы проводящего рисунка защищаются путем нанесения на них других финишных покрытий. В качестве таких покрытий с учетом обеспечения плоскостности, необходимой для поверхностного монтажа, используются химические (иммерсионные) покрытия, чаще всего оловом или золотом. Эти покрытия сразу после нанесения имеют хорошую паяемость, но из-за незначительной толщины и пористости при хранении на их поверхности могут появляться продукты коррозии медной основы, что приводит к ухудшению паяемости.

Все большую популярность как финишное покрытие завоевывает в настоящее время серебро, гальваническое (рис. 1) или иммерсионное.

Гальваническое покрытие никель-серебро

Рис. 1. Гальваническое покрытие никель-серебро

Металлорезист в виде двуслойного гальванического покрытия никель-серебро наносится на плату в едином цикле с гальваническим меднением (процесс ЭЛНИС-220). Покрытие является компланарным (плоским) и выполняет функции и защитного металлорези-ста, и защитного финишного покрытия. Покрытие никель-серебро обеспечивает надежную защиту медной поверхности, пригодно для всех видов сборочно-монтажных работ и имеет лучшие по сравнению с золотым покрытием характеристики пайки. Технология с нанесением неудаляемого универсального покрытия никель-серебро экономична, так как исключает затраты на выполнение операций по нанесению и удалению защитного металлорезиста (рис. 2).

Структура серебряного покрытия из электролита без добавок (x200)

Рис. 2. Структура серебряного покрытия из электролита без добавок (x200)

В процессе ЭЛНИС-220 никелевое покрытие наносится из сульфаматного электролита с пластифицирующими и блескообразующими добавками (рис. 3). Полученные из них осадки имеют высокую пластичность и хорошую прочность сцепления с основой. Беспористые полублестящие осадки никеля получаются уже при толщине слоя 4-5 мкм.

Структура серебряного покрытия из электролита с добавками (x200)

Рис. 3. Структура серебряного покрытия из электролита с добавками (x200)

Для осаждения серебра создан электролит со специальными структурообразующими добавками, основной особенностью которого является то, что он работает в кислой области рН. Известно, что для серебрения традиционно использовались электролиты, работающие в щелочной области, что неприемлемо при металлизации плат со щелочесмываемыми фоторезистами. Введение в электролит специальных органических добавок позволило получать из кислого электролита серебрения плотные полублестящие осадки серебра, выполняющие функции защитного финишного покрытия и защитного металлорезиста, устойчивого к воздействию щелочных травильных растворов.

До сравнительно недавнего времени наиболее распространенными из щелочных травильных растворов были аммиачные тра-вители на основе хлорной меди, поскольку они отвечают основным требованиям производителей плат: имеют высокую скорость травления, обеспечивают хорошее качество и поддаются регенерации, а значит, имеют длительный срок службы.

В связи с разработками систем электрохимической регенерации травильных растворов предпочтение отдается сульфатным медно-аммиачным травителям, поскольку они позволяют полностью исключить проблему возможного выделения хлора на аноде при извлечении меди из раствора электролизом. Дополнительным их преимуществом является то, что они менее агрессивны по отношению к металлорезистам. Поверхность покрытия никель-серебро после травления платы в аммиачно-сульфатном травителе остается практически неизменной и не требует осветления.

Для процессов травления в хлоридных и сульфатных медно-аммиачных растворах характерны общие закономерности, о которых следует еще раз напомнить:

  • Скорость травления увеличивается с повышением концентрации меди в растворе (плотности раствора) и с увеличением рН. С целью стабилизации значения рН рекомендуется не делать слишком сильный отсос из травильной камеры, поскольку это приводит к сильному испарению аммиака, быстрому снижению рН и выпадению солей меди в осадок.
  • Скорость травления увеличивается с повышением температуры, но чрезмерное повышение температуры ограничено разложением аммиачного комплекса.
  • Боковое подтравливание (уменьшение ширины элементов проводящего рисунка при травлении) снижается при повышении плотности раствора. С повышением рН оно увеличивается.
  • Для оптимального травления нужно использовать в установке травления щелевые форсунки для распыления травильного раствора и их осцилляции в направлении, перпендикулярном направлению движения конвейера.

Различие хлоридных и сульфатных медно-аммиачных растворов состоит в том, что для достижения в сульфатном растворе скоростей травления, одинаковых с хлоридным трави-телем, в его состав вводятся специальные катализаторы. Для процесса травления меди в аммиачно-сульфатном растворе с электрохимической регенерацией в СПбЦ «ЭЛМА» разработан ускоритель процесса ТСМ 814.

  • Состав раствора травления: медь - 70-80 г/л; сульфат - 190-210 г/л; добавка ТСМ 814 - 5-10 мл/л.
  • Рабочая температура - 45^ 55 °С, рН - 8,3-8,6 (при 50 °С).

В ходе процесса травления состав раствора меняется, в нем накапливается медь, плотность увеличивается. Для поддержания параметров процесса на постоянном уровне необходимо восстановление травящей способности раствора, то есть его регенерация.

Для электрохимической регенерации сульфатного травителя в СПбЦ «ЭЛМА» разработана и изготавливается установка регенерации растворов травления меди «Элтрамед».

Функциональная схема установки представлена на рис. 4.

Функциональная схема установки

Рис. 4. Функциональная схема установки

Установка для электрохимической регенерации растворов травления меди (электрохимический регенератор) «Элтрамед» представляет собой комплекс, состоящий из электролизера, емкости для хранения травильного раствора, погружного насоса для циркуляции травильного раствора, системы контроля и регулирования рН и плотности раствора, электромагнитных клапанов и системы трубопроводов.

Катод электролизера выполнен в виде полого барабана, погруженного в травильный раствор на глубину менее радиуса и вращающегося со скоростью, достаточной для восполнения у катода требуемой концентрации меди и электрохимического осаждения ее из раствора в виде осадка, автоматически извлекаемого из электролизера с помощью шнекового устройства.

Электрохимический регенератор присоединяется к любой установке травления печатных плат с помощью системы трубопроводов.

Схема работы установки следующая. Травильный раствор из установки травления самотеком поступает в резервную емкость, из которой с помощью погружного насоса непрерывно циркулирует по контуру: резервная емкость - трубопровод - эжекторный насос - трубопровод - установка травления. Резервная емкость оснащена устройствами для контроля и регулирования рН и плотности раствора травления.

При снижении рН ниже заданного значения:

  • автоматически сливается определенная часть рабочего раствора в накопительную емкость;
  • автоматически включаются дозаторы водного раствора аммиака для восстановления рабочего значения рН.

При повышении плотности травильного раствора до заданного предельного значения открывается электромагнитный клапан, и насыщенный медью раствор травления подается в электролизер. Одновременно на электроды - катод и аноды - подается напряжение от источника постоянного тока и включается система вращения катода.

Вращающийся катод и стационарные аноды выполнены из нержавеющей стали. Для регулирования температуры барабан электролизера оснащен системой подачи охлаждающей воды. При прохождении тока на катоде происходит осаждение меди, благодаря чему снижается плотность раствора и восстанавливается его травящая способность (рис. 5).

Осаждение меди на катоде

Рис. 5. Осаждение меди на катоде

Вращение катода осуществляется со скоростью, обеспечивающей восполнение у катода требуемой концентрации меди для электрохимического осаждения ее при установленной величине тока в виде металлической медной фольги. Медная фольга с помощью скребка снимается с катода и ссыпается в желоб шнекового устройства, а затем выгружается из электролизера в приемник (рис. 6). На аноде при прохождении тока происходит восстановление травящих свойств раствора путем окисления одновалентной меди, образовавшейся в растворе при травлении печатных плат, до двухвалентной. Наряду с этим на аноде выделяется кислород, который вместе с прочими газами (аммиак, азот) отсасывается из электролизера с помощью эжекторного насоса и при прохождении через травильный раствор также окисляет одновалентную медь до двухвалентной, регенерируя раствор. Обедненный медью раствор из электролизера самотеком сливается в установку травления печатных плат и снижает концентрацию меди в рабочем растворе.

Выделенная медь в сборнике

Рис. 6. Выделенная медь в сборнике

Процесс в электролизере продолжается до тех пор, пока концентрация меди в травильном растворе (иначе - плотность раствора) не достигнет заданного нижнего предела.

При осаждении определенного количества меди в электролизере включается электромагнитный клапан дозирования раствора ускорителя травления - добавки ТСМ 814.

Все перечисленные действия выполняются автоматически и отражаются на панели шкафа управления, который содержит блок управления, выпрямитель, индикаторы температуры раствора в электролизере, значения уровня рН и тока электролиза. На панели также расположены световые индикаторы, предназначенные для контроля процесса и отображения неисправностей.

Производительность установки «Элтрамед» (рис. 7) - приблизительно 0,5-1 кг меди в час.

Установка регенерации «Элтрамед»

Рис. 7. Установка регенерации «Элтрамед»

Технический результат, который достигается при использовании регенератора травильного раствора:

  • автоматическое поддержание состава раствора и рН;
  • возможность использования травильного раствора в замкнутом цикле;
  • утилизация меди путем прямого электролиза травильного раствора;
  • простое подсоединение к любой установке травления;
  • автоматическая выгрузка выделенной из раствора меди;
  • полная автоматизация процесса регенерации с автоматическим дозированием;
  • улучшение условий труда.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Фокусник на детский день рождения
Детский день рождения в формате квеста! Удиви своего ребенка! Звони
ikaramelka.ru
Grundfos ups 25 80
Насосы Grundfos Ups - большой выбор, докризисные цены
san-termik.ru
Москва доминикана авиабилеты
Авиабилеты на прямые рейсы. Выгодные цены, удобный поиск и бронирование
pilon.aero