Травление проводящего рисунка современных многослойных печатных плат
Но сначала давайте договориться о терминах. Основными, используемыми в производстве печатных плат методами формирования рисунка являются позитивный и негативный методы.
Позитивный метод (рис. 1) предполагает применение позитивных фотошаблонов. Его называют еще позитивным комбинированным, так как в процессе гальванической металлизации кроме меди высаживается еще один металл (в последнее время, как правило, олово), который при травлении используется, как металлорезист и после травления удаляется. Другое название этого метода — «полуаддитивный» (от англ. additive — «дополнительный»). Здесь имеется в виду, что проводник формируется в процессе металлизации не полностью, а частично. Одна часть его толщины формируется за счет фольги ламината, другая — выращивается в процессе металлизации. В итоге общая толщина равна сумме толщин фольги и гальванической металлизации. Причем в условиях использования тонкомерной фольги определяется главным образом последней, и чаще всего находится в интервале 40–70 мкм.

Рис. 2. Технологическая схема изготовления слоев субтрактивным методом с использованием сухого пленочного фоторезиста
Негативный метод (рис. 2) выполняется с помощью негативных фотошаблонов (пробельные участки там, где должен остаться металл). Еще его называют субтрактивным (от англ. subtract — «вычитать»), так как формирование рисунка происходит путем вытравливания («вычитания») не входящих в рисунок участков меди. Разновидностью этого метода, относящегося к формированию наружных слоев МПП (или ДПП в целом, поскольку у них нет внутренних слоев), является тентинг (рис. 3) (от англ. tenting — «устанавливать шатер»). При данном методе отверстия для предохранения от стравливания металлизации закрываются «крышками», или «тентами», формируемыми из фоторезиста.

Рис. 3. Технологическая схема изготовления слоев методом «тентинг» с использованием сухого пленочного фоторезиста
Теперь о способах травления рисунков. В производстве ПП чаще всего используются два способа травления — кислое и щелочное. Не вдаваясь в химизм процесса, отметим, что оба способа реализуются через окисление нейтральной (металлической) меди в одновалентную медь, с той лишь разницей, что при кислом травлении это происходит в кислой среде (рН≈3), а при щелочном — в щелочной среде (рН≈8,5). Формирование рисунка внутренних слоев (без переходных отверстий), как правило, проводится негативным методом и может быть реализовано как кислым, так и щелочным травлением. Наружные слои (когда выполнены переходные отверстия) изготавливаются как комбинированным позитивным, так и тентингом (негативным) методом. Причем тентинг, как уже было сказано, может быть реализован как кислым, так и щелочным травлением, а позитивный метод — только щелочным травлением (поскольку металлорезист является маской лишь для щелочного травителя).
Главная характеристика прецизионности ПП — параметр линия/зазор (их ширина). Еще одной существенной характеристикой операции травления является так называемый фактор травления — степень вертикальности боковых стенок проводника в поперечном сечении (рис. 4).
Особенности процесса щелочного травления не позволяют получить фактор травления больше 2,5–3, в то время как кислым травлением удается достичь фактора травления в диапазоне 4–6. Для печатных плат 6-го и особенно 7-го класса точности это имеет значение.
В процессе травления существенное влияние, затрудняющее формирование прецизионного рисунка, оказывают следующие факторы:
- затрудненный отвод отработанного раствора с верхней поверхности заготовки — «эффект лужи»;
- затрудненный отвод отработанного раствора в местах параллельно идущих проводников с малым зазором «эффект шлейфа»;
- разнотолщинность гальванической меди по площади заготовки (краевой эффект гальванической металлизации);
- малое значение фактора травления.
Разработчики оборудования для прецизионного травления оснащали его различными приспособлениями, снижающими проявление этих отрицательных факторов. Так, на рынке появились травильные установки с автоматическим поддержанием постоянного состава травильного раствора по плотности, «редокс-потенциалу», значению рН. Для снижения «эффекта лужи» применялись системы:
- TFS (Turbulence Free Spray) — попеременная импульсная подача рабочего травильного раствора из линеек форсунок, расположенных по краям конвейера вдоль направления движения заготовок;
- вакуумное травление — вакуумное отсасывание отработанного травильного раствора с верхней плоскости заготовки;
- интермиттирующее травление — дополнительный блок, обеспечивающий дотравливание по всей поверхности заготовки.
В последнее время появились новые высокотехнологичные разработки: блок интермиттирующего травления с индивидуальным управлением форсунками (рис. 5) и установка сверхпрецизионного травления с вертикальным конвейером (рис. 6), позволяющие снижать проявление всех трех вышеописанных негативных факторов.
Особенности работы блока интермиттирующего травления:
- Сопла могут управляться напрямую от ПК.
- Отдельные сопла также интермиттивно контролируются (опция).
- Нет ограничений в формате плат.
- Возможно травление двух рядом лежащих плат.
- Оптимальная форма полива для каждого формата платы.
- Однажды разработанные программы запоминаются и при необходимости загружаются вновь.
Особенности работы установки вертикального травления:
- Травление до 20/20 мкм.
- Бесконтактное перемещение.
- Нет «лужи».
- Нет выноса состава.
Горизонтальная травильная установка с блоком интермиттирующего травления с индивидуальным управлением форсунками и традиционным кислым травителем позволяет получать рисунок с параметром линия/зазор 50/50 мкм на толщине меди 35 мкм с фактором травления 5 (рис. 7).
Вертикальная травильная установка с использованием «оксфордского травильного раствора» позволяет получать рисунок с параметром линия/зазор 20/20 мкм на толщине меди 17 мкм с фактором травления 6 (рис. 8).
Мы видим, что возможность получения высоких значений «фактора травления» делает кислое травление (а вместе с ним негативный метод, а также тентинг, как одну из его разновидностей) очень привлекательным для получения прецизионного проводящего рисунка. Напомню, что при этом негативный метод (тентинг) обладает рядом неоспоримых преимуществ.
- Короткий техпроцесс. Это связано главным образом с отсутствием в технологической цепочке операций, предполагающих необходимость наносить, а потом снимать металлорезист.
- Высокое качество гальванического осадка. При тентинге процесс гальванической металлизации происходит по всей поверхности заготовки, когда на ней нет фоторезиста. Отсутствие больших масс органического вещества в ваннах гальванической металлизации позволяет легко формировать высокопластичный медный осадок в металлизированных отверстиях, что существенно повышает надежность печатной платы, особенно при групповой пайке, принятой в технологии поверхностного монтажа.
- Постоянная величина тока при гальванической металлизации — определяемая постоянной площадью металлизации в связи с отсутствием рисунка. Это очень удобно в условиях многономенклатурного производства и устраняет возможность субъективных ошибок оператора (при установке режимов линии), а также технологов (при подготовке производства и расчете площади металлизации и выравнивающих рамок).
- Высокое качество поверхности под паяльную маску, поскольку на поверхности меди отсутствуют остатки металлорезиста, которые могут приводить к ухудшению адгезии паяльной маски. (Наличие остатков металлорезиста типовой и трудно контролируемый дефект при позитивной технологии, приводящий к ухудшению адгезии паяльной маски, в том числе и при работе по варианту без снятия металлорезиста, ПОС.)
- Единая методика формирования внутренних и наружных слоев. Внутренние слои всегда выполняются негативным методом. Использование единой техники изготовления наружных и внутренних слоев существенно упрощает организацию производства.
- Одна программа сверления. Тот факт, что металлизация отверстий при тентинге происходит по сплошной заготовке, позволяет до металлизации просверлить как металлизированные, так и неметаллизированные отверстия. Впоследствии при фотолитографическом формировании рисунка отверстия, которые не должны иметь металлизацию, не тентируются (в фотошаблоне наружного слоя) и металлизация из них удаляется при операции травления. Это сокращает техпроцесс и увеличивает точность совмещения массивов неметаллизированных и металлизированных отверстий с рисунком наружного слоя.
- По сравнению с позитивным процессом, в котором в качестве металорезиста используется сплав олово-свинец, существенным преимуществом тентинга является отсутствие свинца в стоках. В последнее время, правда, этот металлорезист повсеместно вытесняется чистым оловом.
- Отсутствие ванны нанесения металлорезиста (снижение издержек на приобретение компонентов рабочих растворов, оловянных анодов и т. п.) и оборудования для снятия металлорезиста.
Главным недостатком тентинга (а именно этот вариант негативного метода конкурирует с комбинированным позитивным процессом) была, как многие считают, худшая по сравнению с позитивным методом прецизионность. В первой части статьи автор показал, что возможность получения больших значений фактора травления в сочетании с использованием передового высокотехнологичного оборудования делает тентинг более привлекательным (с учетом всех его положительных свойств) для изготовления печатных плат с прецизионным рисунком.
Во второй части статьи хотелось бы остановиться еще на одном процессе, в существенной мере снижающем (или компенсирующем) другой недостаток негативного метода — увеличенный расход меди (анодов).
Это процесс регенерация травильного раствора. Утилизация использованных травильных растворов является большой проблемой для производства печатных плат, особенно в современных условиях постоянного ужесточения экологических требований. Регенерация позволяет организовать замкнутый производственный цикл и, имея на выходе процесса чистую медь, в значительной мере компенсировать издержки. Однако если регенерация щелочного травильного раствора давно и успешно освоена, то промышленные процессы регенерации кислого травильного раствора получили распространение относительно недавно. Поскольку регенерация кислого травильного раствора технически значительно более сложная, так как связана с проблемой борьбы с выделением газообразного хлора. В настоящее время рынок технологического оборудования предлагает промышленную установку регенерации кислого травильного раствора и промывных вод установки травления с безусловным соблюдением всех санитарно-экологических норм и требований.
Жидкостная экстракция и процесс электролиза являются основой данного метода регенерации медно-хлоридного раствора.
Жидкостная экстракция:
Сu2++2RH(орг) = CuR2(орг)+2H+,
где RH(орг) — восстановленный органический реагент MX 80.
Извлечение меди из органического раствора в сернокислый электролит:
СuR2(орг) + 2H+ = 2RH(орг)+Сu2+.
Электроосаждение меди из сернокислого электролита:
Сu2++H2O = Cu0+2H++0,5O2.
Рассмотренная система регенерации имеет четыре замкнутых цикла:
- цикл травильного раствора;
- цикл промывочной воды;
- цикл органического реагента MX 80;
- цикл сернокислого электролита.
Она позволяет:
- значительно снизить потребление химикатов для раствора травления;
- значительно сократить производственные затраты;
- извлекать из отработанного травильного раствора электролитическую меди высокой чистоты (99,995%);
- обеспечивать стабильность параметров процесса травления.
Надеюсь, что изложенная в этой статье информация поможет производственникам, изготовителям печатных плат в организации и внедрении техпроцесса выпуска прецизионных печатных плат (6–7 классов точности) с использованием всех преимуществ тентинг-процесса, что является особенно актуальным в условиях стремления разработчиков РЭА к миниатюризации.
- Лейтес И. Альтернативные методы изготовления печатных плат // Производство электроники. 2008. №1–3.