СОЗДАНИЕ ЗАЩИТНОГО РЕЛЬЕФА И
ТРАВЛЕНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ.
Травление печатной платы – это окислительно-восстановительный процесс, в котором медь – восстановитель, а окислитель – раствор. Процесс травления предназначен для создания токонесущих проводников.
За точность травления отвечают основные технологические характеристики: скорость травления, боковое подтравливание, емкость по меди.
К растворам, используемым для травления печатных плат, предъявляются следующие требования:
- нетоксичность;
- высокая скорость травления;
- малое боковое подтравливание;
- большая емкость по меди;
- устойчивость;
- легкость регенерирования;
- отсутствие взаимодействия с металло - и фоторезистами.
Скорость травления – толщина слоя меди, удаленная с поверхности в единицу времени (обычно мкм/мин). Боковое подтравливание (мкм) – растворение меди с боковых стенок токонесущих проводников, приводящее к уменьшению толщины токонесущего проводника, а в некоторых случаях – к разрывам в проводнике.
Емкость по меди – количество граммов меди, которое можно стравить с поверхности печатных плат одним литром травильного раствора (г/л).
Выбор травильных растворов зависит от нескольких факторов:
-типа применяемого резиста, так как резист может быть несовместим с данным раствором;
- типа оборудования, так как для травильных растворов, выделяющих при травлении вредные газы, необходимы герметизированные установки;
- требуемого коэффициента подтравливания;
- скорости травления (обычно скорость травления составляет ~ 12,5 мкм/мин).
Промышленностью используются травильные растворы на основе хлорида железа (III); персульфата аммония; хлорида меди (II); смеси оксида хрома (VI) и серной кислоты; пероксида водорода; хлорита натрия (щелочной раствор).
Состав, основные технологические особенности, достоинства и недостатки данных растворов приведены в таблице 1.
Хлоридные | На основе пероксида водорода | Медноаммонийные | Универсальные хромовокислые | Персульфатные | |||||
состав | CuCl2·2H2O | 55?60 | CuCl2·2H2O или CuSO4 HCl:H2O2=3:1 | CuCl2·2H2O | 60?70 | CrO3 | 150 | (NH4)2S2O8 | 100?120 |
FeCl3·6H2O | 300?400 | NH4Cl | 100?110 | H2SO4 | 40?50 | H2SO4 | 8?10 | ||
NH4Cl | 70?85 | NH4OH | 145?160 | глицерин | 5 | ||||
HCl | 40?50 | ||||||||
T,°C | 35 | 35 | 40?50 | 50 | 40?50 | ||||
Механизм травления | FeCl3+Cu=FeCl2+CuCl CuCl+FeCl3=CuCl2+FeCl2 CuCl2+Cu=2CuCl | Cu+H2O2=CuO+H2O CuO+2HCl=CuCl2+H2O CuCl2+Cu=2CuCl 2CuCl+H2O2+2HCl=2CuCl2+2H2O | Cu+Cu(NH3)4Cl2= 2Cu(NH3)2Cl | 3Cu+2CrO3+6H2SO4= 3CuSO4+Cr2(SO4)3+ 6H2O | Cu+(NH4)2S2O8= CuSO4+·(NH4)2SO4 по аналогии протекают реакции с резистом | ||||
Емкость по меди, г/л | 75?105 | 130 | 90?100 | ? | ? | ||||
Скорость травления, мкм/мин | 35 | ? | ? | 30?40 (струйные машины) | 2,5?3 (неперемешиваемые растворы), 10 (струйные машины) | ||||
Контроль | Диффузионный с катодным контролем | Электрохимический | Диффузионный | Электрохимический с катодным контролем | Каталитический | ||||
Достоинства | - диффузионный контроль - высокая скорость травления -малая величина бокового подтравливания - высокая четкость контура рисунка - активность при высоком содержании в нем растворенной меди - низкая стоимость - разработано много методов регенерации и утилизации отработанных растворов - меднохлоридные растворы хорошо отмываются с печатных плат | - постоянная скорость травления - исходное состояние веществ - жидкое, что обеспечивает их автоматическую дозировку - в результате реакции не образуется шлам - раствор легко смывается с платы - совместим с большинством резистов -исключается операция осветления Sn-Pb | - диффузионный контроль - совместим со всеми фото - и металлорезистами, кроме резистов щелочного проявления | - высокая скорость и коэффициент травления - совместим с большинством резистов, трафаретной краской и фоторезистами | - низкая коррозионная активность - низкая вредность состава - невысокие требования к вытяжной вентиляции - растворы хорошо отмываются с плат - простота приготовления и регенерации - низкая стоимость | ||||
Недостатки | - при промывке происходит гидролиз, образующийся шлам портит целостность плат -несовместим с Sn-Pb -фенольные смолы гетинакса адсорбируют Fe3+, что снижает сопротивление изоляции - сложная регенерация и утилизация, связанная с многокомпонентностью - полы и стены загрязняются ярко-оранжевым FeCl3 | - пероксид – крайне неустойчивое соединение, легко разлагается в присутствии Cu2+, частиц пыли, под действием света | - трудность контроля состава - высокая летучесть аммиака, а частая корректировка по NH3 ухудшает условия труда персонала | - электрохимический механизм травления - регенерация раствора не возможна до исходного состава - неэкологичный состав | - большое боковое подтравливание - низкая скорость травления - нестабильность состава - практическая невозможность полной регенерации - химический метод регенерации не позволяет поддержать скорость травления постоянной -образуется CuSO4·(NH4)2SO4 |
Точно воспроизвести рисунок схемы не удается, если не обеспечен необходимый технологический припуск размеров элементов схемы на величину подтравливания. Иногда величину подтравливания характеризуют коэффициентом травления или фактором травления К – это отношение глубины травления к боковому растравливанию или толщины фольги к 0,5 величины уменьшения ширины проводника за счет подтравливания. Подтравливание схематически показано на рисунке 1.
а б в
Рисунок 1 – Изменение формы поперечного сечения проводника в процессе изготовления печатной платы: а – медный проводник (условно) до нанесения металлического резиста; б – проводник с резистом; в – проводник после травления меди: K=b/c, с=(a-d)/2
Наибольшая точность травления наблюдается в растворах, в которых процесс травления протекает с диффузионным контролем, когда наиболее медленной стадией будет стадия диффузии реагирующих веществ или получающихся продуктов травления. Фактор травления в таких растворах равен нескольким единицам, но его значение, кроме того, будет определяться толщиной металлической фольги, шириной вытравливаемого участка и другими параметрами. Величина подтравливания составляет примерно 40?70 % от толщины медного слоя, что приводит к зауживанию проводников и нависанию травильного резиста. Эти явления следует учитывать при конструировании, в частности, при выборе толщины медной фольги. Следует отметить, что применение толстой фольги автоматически вызывает большее подтравливание, а тонкомерной (5 мкм) снижает. Значительно ниже точность травления при активационном контроле (химическом, электрохимическом, фазовом).
В качестве защиты проводящего рисунка (защитного рельефа) при вытравливании меди в негативном варианте производства служит трафаретная краска, которую наносят сеткографическим способом или фоторезист (СПФ (сухой пленочный фоторезист) или жидкий, светочувствительная композиция), в позитивном – металлическое покрытие (металлорезист), например Sn, Sn-Pb, Ag, Au, Au-Ni и т. д. Названия эти способы получили от фотошаблона, применяемого при создании защитного рельефа.
а б
Рисунок 2 – Фотошаблоны для производства печатной платы: а – позитивный (после экспонирования закрыты пробельные места), б – негативный (после экспонирования закрыты проводники).
Фотошаблон прикладывается к основанию печатной платы, на которую нанесен фоторезист. В ходе процесса экспонирования (засветки ультрафиолетом) происходит задубливание (сквозь светлые участки фотошаблона проходит свет и делает их нечувствительными к дальнейшему травлению), а с темных участков фоторезист смывается водой или слабым раствором щелочи в зависимости от характеристик фоторезиста (процесс проявления). Оголившаяся медь в дальнейшем убирается травильным раствором. Негативный метод используется редко, так как не обеспечивает высокую плотность монтажа и качество, а также достаточно трудоемок.
Вид металла (сплава) для резиста должен определяться исходя не только из его функциональных характеристик (высокой паяемости), но и учитывая его химическую стойкость в травильном растворе. Резист с медью образует гальванический элемент. В первую очередь будет травиться тот металл, который обладает более отрицательным потенциалом, и пока компромиссный (рабочий) потенциал коррозионной пары при травлении не достигнет значения потенциала другого металла, последний не будет подвергаться травлению. С этой точки зрения был бы более предпочтительным металлорезист, обладающий большим положительным собственным потенциалом (например, Ag, Au), чем медь. На таких резистах не образуется оксидная пленка, однако точность травления снижается за счет образования микропары металл-резист и их применение дорогостояще. При контакте меди с более электроотрицательным резистивным металлом (Sn и его сплавы) в травильном растворе в первую очередь начинает травиться резист. Использование подобных металлорезистов возможно на практике за счет их перехода в пассивное состояние и вследствие этого сдвига потенциала к более положительным значениям. Использование Sn, Sn-Ni и Sn-Pb с хлоридными растворами невозможно вследствие перехода резиста в активное состояние [1].
В промышленности постоянно совершенствуются как собственно процесс травления, так и методы контроля его качеств. Травление меди может выполняться следующими способами:
– погружением платы в раствор;
– наплескиванием травильного раствора на плату;
– барботированием;
– подачей травильного раствора на плату в виде струй.
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 [4]); способ удаления определяется типом травильного резиста: растворы соляной кислоты, перекиси водорода, органические растворители с дополнительным механическим воздействием щетками [2].
Травление погружением – медленный процесс, приводящий к большому подтравливанию. Травление наплескиванием, например, при помощи лопастей, погружаемых в травильный раствор, обеспечивает лучшее качество травления. Однако при наплескивании коэффициент полезного использования раствора весьма низок, т. е. из общего количества наплескиваемого раствора в процессе травления активно участвует около 1 % раствора. Травление с барботированием позволяет лучше использовать раствор и находит применение в промышленности. В струйных травильных установках активно используется весь объем раствора и скорость травления во много раз больше, поэтому в производстве печатных плат широкое применение нашли в основном струйные методы. Технические характеристики установок для травления и составы электролитов приведены в литературе [3].
Литература:
1. Капица, производства печатных плат: учеб. пособие по одноименному курсу для студентов специальности 1-48 01 04 «Технология электрохимических производств» / , , . – Мн.: БГТУ, 2005. – 396 с.
2. Технология изготовления печатных плат / , // Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2015. – 200 с.
3. Федулова, процессы в технологии изготовления печатных плат / , , . – М.: Радио и связь, 1981. – 131 с.
4. Зайцев, технология изготовления печатных плат ТГТУ
Лабораторная работа № 1
СОЗДАНИЕ ЗАЩИТНОГО РЕЛЬЕФА И
ТРАВЛЕНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Цель работы – ознакомление с процессами ламинирования, экспонирования и проявления и процессом травления меди в технологии производства печатных плат; определение основных характеристик травления и их сравнение для ряда травильных растворов; определение факторов, влияющих на скорость травления.
Опыт 1. Сравнение травильных растворов по скорости травления и боковому подтравливанию.
Таблица 3 – Составы травильных растворов
№ | Состав электролита | Рабочая температура, °С | |
компонент | концентрация, г/дм3 | ||
1 | CuCl2•2H2O FeCl3•6H2O NH4Cl HCl (?=1,19) | 55?60 300?400 70?85 40?50 | 35 |
2 | CuCl2 HCl KCl | 80(Cu2+) 100 30 | 40-50 |
3 | CuCl2 NH4Cl NH4OH (25 %) | 80(Cu2+) 110?120 400?500 | 40-50 |
4 | CrO3 H2SO4 глицерин | 150 40?50 5 | 50 |
5 | (NH4)2S2O8 H2SO4 | 100?120 8?10 | 40-50 |
Процесс травления в лабораторных условиях проводят в стеклянных стаканах (V=50 мл) при рабочей температуре.
После устного допуска к лабораторной работе у преподавателя получают негативный фотошаблон и вырезают образцы из фольгированного диэлектрика размера соответствующего фотошаблону и взвешивают. С одной стороны образца наносят сухой пленочный фоторезист (СПФ). Перед созданием защитного рельефа поверхность меди должна быть тщательно! подготовлена:
-механическая подготовка наждачной бумагой с мелким размером зерна (крупная наждачная бумага травмирует поверхность – это недопустимо);
? обезжиривание в стандартном растворе;
? горячая промывка;
? холодная промывка;
? активация в разбавленной серной кислоте.
Хорошо подготовленная поверхность не должна иметь подтеков, потемнений и отпечатков, ее цвет должен быть равномерным и светлым. Сухой пленочный фоторезист (СПФ) – это светочувствительный материал, заключенный между лавсановой и полиэтиленовой пленками. Работать с СПФ допускается в темной комнате (необходимо закрыть жалюзи). Для ламинирования (нанесения) фоторезиста на поверхность заготовки необходимо снять более толстую лавсановую пленку и нанести на поверхность массирующими движениями. Необходимо убедится, что СПФ хорошо приклеился по краям, иначе во время травления он быстро отстанет от заготовки. Полученную заготовку подвергают экспонированию сквозь фотошаблон. Для того чтобы фотошаблон плотно пристал к поверхности заготовки допускается слегка смочить его водой, соединить с заготовкой и положить под ультрафиолетовую лампу. Лампа должна находиться на расстоянии 5?7 см, экспонирование проводится 40?60 секунд. По истечении прошедшего времени сформируется рисунок, после чего удаляют верхнюю прозрачную полиэтиленовую пленку и проявляют (убирают незадубленные участки) в 1 % растворе кальцинированной соды при температуре 26?32 °С с последующей промывкой в холодной воде и согласно полученному заданию изучают процесс травления погружением в соответствующие травильные растворы. После стравливания меди снимают СПФ в 2?4 % растворе гидроксида калия (натрия) или 3-5 % растворе аммиака и взвешивают образец.
а б
Рисунок 2 – фоторезист (а); установка для экспонирования (б)
На прямолинейном медном участке определяют боковое подтравливание.
Определив время полного стравливания меди и зная толщину медной фольги (35 мкм), вычисляют скорость травления.
Опыт 2. Изучить влияние:
температуры на скорость травления; концентрация ионов меди в растворе травления на скорость травления.Для проведения работы готовят раствор № 2 и описанные выше образцы, но без лаковой полоски. Для изучения влияния температуры задают температуру 25 °, 50 ° и 75 °С. Затем изучают влияние концентрации ионов Cu2+ на скорость травления при рабочей температуре, добавляя 2 г/л, 5 г/л и 10 г/л (Cu2+) CuSO4•5H2O. Результаты оформляют в виде таблицы.
Контрольные вопросы
1. Методы производства двухсторонних и многослойных печатных плат.
2.Методы нанесения защитного рельефа.
3. Виды фоторезистов.
4. Механизмы действия, регенерации всех видов травильных растворов.
5. Сравнение травильных растворов по основным характеристикам.
