Современные способы металлизации

Альфио Колнаго, др. Юрген Хьюб, “Enthone” (Мир гальваники 2009)
Внедрение инновационных процессов позволяет добиться успеха в конкурентной борьбе на рынке печатных плат

Сегодня отрасль печатных плат переживает период значительных перемен. После нескольких лет расцвета, рынок вошел в стадию рецессии, отмеченную закрытием предприятий, сокращением издержек и общей нестабильностью. Ясным остается одно – выход из кризиса будет зависеть от способности отрасли эффективно внедрить технологии, позволяющие снизить затраты без ущерба качеству. Возможность добиться подобного результата есть у каждого предприятия.

В большинстве случаев наиболее эффективными оказываются вложения в автоматизацию производства, снижение объемов выбросов и запуск экономичных процессов, повышающих производительность. Что касается сквозной металлизации отверстий печатных плат, наиболее результативным способом оптимизации данного процесса является использование автоматических горизонтальных установок.

Согласно тенденции, прослеживаемой на мировом рынке, прямое меднение (химическое меднение) как способ металлизации отверстия печатной платы постепенно отходит на второй план. Это особенно заметно в азиатском и тихоокеанском регионах, а также ряде европейских стран. Основные причины этого явления перечислены ниже.

В Европе действует масса законов и предписаний, ограничивающих или запрещающих использование таких токсичных и канцерогенных веществ, как формальдегид и цианид. Кроме того, не стоит забывать о том, что в большинстве европейских стран значительно ужесточилось законодательство в отношении применения таких традиционных хелаторов, доказавших свою эффективность и стабильность в растворах химического меднения, как EDTA и «Qualdrol».

Характерной особенностью процесса химического меднения является последовательная цепочка реакций в газовой среде. Было доказано, что выделение водорода может негативно сказаться на результате меднения, в особенности, если процесс выполняется в вертикальной установке и применяется для обработки отверстий с высоким отношением длины к высоте, миниатюрных отверстий или микровиа. Негативное воздействие выражается в дефектах, которые приводят к необходимости повторного выполнения процесса, а в некоторых случаях и изготовления новой схемы.

Успешное выполнение процесса химического меднения требует тщательного трудоемкого контроля. Это связано как с многочисленностью этапов данного процесса, так и с тем фактом, что используемый раствор с течением времени претерпевает значительные изменения.

По количеству образующихся выбросов, объему используемой воды и стоимости процессов очистки химическое меднение значительно превосходит прямую металлизацию.

Стоимость автоматизации горизонтальной установки химического меднения гораздо выше стоимости автоматизации подобного оборудования для прямой металлизации. При химическом меднении используется более дорогостоящее оборудование, требуется больше рабочего пространства и потребляется больше энергии.

 

Обзор рынка

В течение последних пяти лет в отрасли наблюдается активное внедрение процесса прямой металлизации. По началу этот метод, разработанный в начале 80-х годов, принимался рынком довольно настороженно. Первые процессы этого типа накладывали гораздо больше ограничений, чем химическое меднение. В середине 90-х годов большинство имеющихся процессов выпускались в усовершенствованном варианте.

Постоянная работа в этой области привела к созданию технологии, которая позволяет добиться результата, по многим параметрам превосходящего химическое меднение. В результате, начиная с 2000 года, прямая металлизация нашла широкое применение на рынке печатных плат.

Исследования

С момента создания первых процессов прямой металлизации различные исследовательские организации, отраслевые ассоциации, производители и поставщики занялись исследованиями с целью сравнения различных технологий и выявления лучшей. Наиболее всесторонним является обзор, выполненный Агентством по охране окружающей среды в 1998 году,

«Оценка альтернативных технологий изготовления печатных плат: проводимость отверстий». Эта работа совместно с «Анализом результатов испытаний технологий, предотвращающих загрязнение окружающей среды при производстве печатных плат» представляет собой сравнительную характеристику всех технологий прямой металлизации, имеющихся на отраслевом рынке. Кроме того, в них приведены различные способы водоочистки, организации бессточного производства, снижения риска для здоровья человека и состояния окружающей среды, рекомендуемые к использованию при производстве печатных плат.

С этими документами будет крайне полезно ознакомиться всякому, кто рассматривает возможность отказа от химического меднения и внедрения прямой металлизации.

Прямая металлизация: выбор технологии

Запатентованные процессы прямой металлизации отличаются еще большим разнообразием, чем технологии химического меднения. Каждый поставщик разрабатывает свой способ обработки сквозных отверстий. Чтобы выбрать подходящий Вам процесс металлизации, необходимо понять основный принцип действия этого способа, а, значит, и его химические и механические особенности.

Все существующие технологии металлизации условно делятся на три группы: с использованием палладия или других драгоценных металлов, с использованием угля или графита и с использованием проводящих полимеров.

Всем трем группам присущи преимущества, связанные с автоматизацией процесса и снижением объемов потребляемой и очищаемой воды. Однако только одна группа процессов обеспечивает селективное осаждение проводящего слоя при высокой проводимости финишного покрытия. Это свойство, типичное только для процессов металлизации, требующих образования проводящего слоя, зависит от типа используемого мономера и достигается в результате специфических реакций, происходящих в сквозных отверстиях.

Одной из таких систем металлизации, основанных на проводящих свойствах полимеров, является Envision® DMS-E. Ее использование обеспечивает селективное осаждение проводящей полимерной пленки на диэлектрической и стеклянной поверхности печатных плат (сквозных отверстий), без осаждения медного слоя. Основной принцип действия данной технологии заключается в том, что только каучуковые и стеклянные поверхности способны вступать в реакцию с окислителем, входящим в состав системы. Образующаяся в результате реакции оксидная пленка сообщает поверхности окислительную способность, необходимую для трансформации мономерного раствора в тонкий проводящий слой, в то время, как поверхность меди, не подвергшаяся воздействию окислителя, в реакцию не вступила.

Данная технология обладает целым рядом преимуществ. В отличие от других систем прямой металлизации этот процесс не создает нежелательного слоя на меди.

В случае применения некоторых палладиевых и всех угольных технологий после осаждения проводящего слоя требуется обработка медных участков сильным раствором травления и тщательная очистка. Травление необходимо для удаления с поверхности меди всех нежелательных примесей.

Это усложняет как сам процесс металлизации, так и последующую обработку сточных вод. Кроме того, сама процедура травления представляет собой техническую проблему. Чрезмерная интенсивность может привести к повреждению слоя палладия, угля или графита на диэлектрике в области, прилегающей к межслойным проводникам. Это, в свою очередь, негативно скажется на результате гальванической обработки сквозных отверстий. Наиболее типичным последствием подобного дефекта является пустоты в местах межсоединений (рис.1). Оно чаще всего называется среди недостатков большинства процессов прямой металлизации, требующих травления медного слоя, и исключено в случае с технологией образования проводящего слоя.

Технология прямой металлизации с образованием проводящего слоя оставляет медное покрытие в первоначальном состоянии, предусматривая лишь предварительную подготовку с помощью щетки в случае обработки двусторонних плат или дисмеринга в случае обработки двусторонних и многослойных печатных плат. Медь просто не от чего очищать перед нанесением сухой пленки или любого гальванического покрытия.

Данная технология не допускает возможности образования нежелательных пленок на межслойной поверхности многослойных плат вне зависимости от количества соединений. Исключается сам источник возможного дефекта межсоединений. Конечный результат использования этого процесса металлизации – исключительная сила сцепления слоя гальванической меди со стенками отверстия, а также всеми медными поверхностями, включая межслойные и поверхности микроотверстий.

Эти свойства крайне важны при производстве плат большой толщины, многослойных плат и плат с большим количеством микроотверстий.

Прямая металлизация микроотверстий

Несмотря на тот факт, что в течение последних 10 лет прямая металлизация получила широкое распространение, которое постоянно растет, остались и сторонники химического меднения, которые настаивают на преимуществах использования этого процесса, в особенности при изготовлении высокотехнологичной продукции, например, для обработки микроотверстий и отверстий с большим отношением длины к толщине покрытия. Однако капитальные и текущие расходы, связанные с применением химического меднения, значительно превышают сумму, требующуюся для внедрения альтернативной технологии.

Значительная экономия затрат возможна уже благодаря одному только снижению водопотребления и сокращению объемов выбросов (таб. 1). Кроме того, к неблагоприятной смете химической металлизации следует добавить стоимость палладия, который за последние несколько лет невероятно поднялся в цене. Палладий – необходимый компонент ряда процессов прямой металлизации и всех без исключения процессов химического меднения. В результате роста стоимости этого металла расходы, связанные с выполнением процесса химического меднения, увеличились на 50%.

Для многих предприятий немаловажным фактором является экологическая безопасность процесса. В подобном случае производитель печатных плат полностью переходит на использование прямой металлизации, включая обработку микроотверстий. Прямая металлизация считается менее опасной для окружающей среды, поскольку при ее выполнении используется меньшее количество токсичных веществ. В случае с металлизацией через нанесение проводящего слоя исключается использование металлов, сильных комплексообразователей или высокотоксичных материалов. Переработка отработанного электролита не требует больших расходов. По сравнению с химическим меднением прямая металлизация отличается пониженным расходом воды для промывки – менее одного м3 в час.

Технологический процесс прямой металлизации с нанесением токопроводящего слоя исключительно короток. Размеры установки, стоимость оборудования, рабочая площадь и длительность обработки - в несколько раз меньше, чем при химическом меднении. Что касается использования технологии прямой металлизации для обработки микроотверстий, следует уделить особое внимание не только составу раствора, но механическим особенностям процесса (горизонтальное нанесение). Было установлено, что наиболее значительными факторами при горизонтальной обработке являются контроль и оптимизация процесса нанесения покрытия.

Кондиционирование

Для кондиционирования используется водный раствор веществ, активирующих диэлектрические и стеклянные поверхности.

Обработка в перманганате

Это основной этап образования проводящей пленки. На данной стадии происходит химическая реакция, в результате которой исключительно на каучуковых и активированных стеклянных поверхностях образуется оксидный слой, который представляет собой пленку двуокиси марганца. Эта пленка является непременным условием последующей реакции полимеризации.

Количество двуокиси марганца на поверхности отверстия имеет довольно большое значение.

Толщина слоя образуемой пленки контролируется химическим и механическим способами. Возможность влиять на процесс нанесения покрытия механическим способом является одним из наиболее ценных достижений разработчиков для производителей многослойных печатных плат.

Воздействие катализатором

Этот этап положен в основу технологии. Катализатор содержит мономер и органическую кислоту. Реакция происходит мгновенно Под воздействием кислоты слой двуокиси марганца вступает в реакцию с мономером, образуя проводящую полимерную пленку, а марганец восстанавливается до Mn+2. Вступая в реакцию с мономером, двуокись марганца никогда не оставляет никаких следов марганца на стенках отверстия.

После завершения реакции на диэлектрических и стеклянных поверхностях печатной платы остается сплошная тонкая (околот0,2 микрон) проводящая пленка.

Скорость реакции, при обычных условиях занимающей не более 60 секунд, может быть увеличена с помощью использования ультразвука. В случае обработки сверх микроскопических отверстий или отверстий с чрезвычайно высоким отношением длины к толщине слоя (>10:1) применение ультразвука обязательно.

Промывка

Обработка в соли марганцевой кислоты сопровождается рядом операций промывки, которые требуют менее тщательного контроля. После традиционной промывки в воде, печатная плата обрабатывается кислотой и ополаскивается. Промывки в данном случае выполняют двойную функцию: обработка в кислоте поддерживает в необходимом для дальнейших операций состоянии пленку двуокиси марганца, а также восстанавливает поверхность меди, сохраняя ее первоначальное состояние.

Свойства электропроводящих полимеров

В результате углубленного изучения свойств электропроводящих полимеров, а также процесса осаждения меди на полимерную поверхность, было установлено, что меднение происходит в результате формирования скоплений кристаллов меди небольшого размера, формирующихся на определенных расстояниях друг от друга.

Эти кристаллы быстро увеличиваются в размерах и сливаются друг с другом, покрывая поверхность отверстия. В результате на поверхности образуется плотная поликристаллическая пленка. Скорость образования медного слоя зависит как от качества проводящего полимера, так и от типа и количества органических добавок, введенных в электролит электролитического меднения.

Результаты экспериментов

Первоначально для изучения воздействия незначительных изменений оборудования, интенсивности нанесения раствора, вращательного движения и времени воздействия были использованы уже имеющиеся на предприятии горизонтальные линии обработки. На начальных этапах исследования горизонтальные процессы ограничивались нанесением проводящей пленки. Электролитическое меднение выполнялось на стандартной вертикальной установке.

При обработке микроотверстий размером более 100 микрон (отношение длины к толщине слоя 1:0,5) высокие результаты были получены на всех видах испытуемого оборудования (рис. 2).

При обработке микроотверстий размером около 80 микрон (отношение длины к толщине слоя 1:0,625) сократилась кроющая способность, однако результаты были относительно высокими (рис. 3).

При обработке микроотверстий размером менее 80 микрон различные модификации оборудования приводили к улучшению результатов. Предпринятые меры включали увеличение количества подвесок при снижении напора подачи электролита и использование ультразвука.

При обработке микроотверстий размером 50 микрон (отношение длины к толщине слоя 1:1,20) требуется нанесение меди электрохимическим способом только с использованием горизонтальной установки (или вертикальной модели, работающей с возвратно-поступательным движением) (рис. 4).

Вывод

Сегодня, более, чем когда-либо, мы должны обращать особое внимание на то, какой подход мы выбираем к ведению своего бизнеса.

Чтобы выжить в условиях жесткой конкуренции, уже недостаточно использовать тот или иной процесс только потому, что он с успехом применялся Вами в прошлом.

Основное внимание по-прежнему уделяется надежности и качеству продукции. Оценивая технологию, мы должны опираться на критерии оценки качества собственного производства. Без сомнения, прямая металлизация – процесс, который способен обеспечить качественную обработку изделия, отличаясь при этом простотой в применении, экономичностью, возможностью автоматизации, экологической безопасностью, пониженным потреблением воды и энергоресурсов и целым рядом других преимуществ.