Современные способы обработки и модификации свойств поверхности электронных компонентов

Терешкин В. А., к.т.н. (Мир гальваники 2008)
Процессы гальванической металлизации являются неотъемлемой частью производства печатных плат (ПП) и от качества их выполнения в значительной степени зависит надежность изделий.

Гальваническое меднение является процессом, при котором формируется токоведущий слой печатной платы, определяющий ее эксплуатационные свойства, такие как устойчивость к термоудару, циклическому изменению температур, перепайкам, ремонтопригодности.

Гальваническое осаждение олова или сплава олово-свинец используются в современной технологии изготовления ПП с защитной маской в основном для получения временного покрытия, необходимого только на этапе защиты медного проводящего рисунка при травлении меди с пробельных мест ПП, после чего удаляются с ПП.

Гальваническое осаждение двухслойных покрытий никель-палладий и никель-золото используются для покрытия концевых печатных контактов.

Гальваническое меднение

Основные требования, предъявляемые к электролитам меднения печатных плат:

  • высокая рассеивающая способность;
  • обеспечение высокой пластичности осаждаемой меди;
  • минимальное воздействие на фоторезисты;
  • простота и технологичность в эксплуатации;

Всем этим требованиям отвечают сернокислые электролиты со специальными добавками.

Рассеивающая способность

Электролиты с высокой рассеивающей способностью обеспечивают, при соблюдении прочих необходимых условий, равномерное распределение осаждаемого металла по поверхности и в отверстиях платы. При использовании электролитов с высокой рассеивающей способностью соотношение толщины меди на поверхности заготовки и в отверстиях приближается к 1:1. А это означает, что для получения толщины меди в отверстиях 20 мкм на поверхность достаточно осадить не более 25 мкм.

За счет использования электролитов с высокой разрешающей способностью:

  • сокращается технологический цикл на операциях меднения и травления;
  • уменьшается расход анодов;
  • улучшаются экономические и экологические показатели производства.

Известно, что на рассеивающую способность электролита наиболее сильно влияет соотношение в нем концентраций кислоты и соли меди. Чем больше это соотношение, тем более равномерным будет распределение металла по печатной плате. Однако чрезмерное снижение концентрации меди может привести к снижению рабочих плотностей тока, т.е., уменьшению производительности процесса, что нецелесообразно. В свою очередь значительное повышение концентрации кислоты в электролите отражается на стойкости фоторезиста.

Пластичность

При производстве печатных плат – это один из основных критериев качества осаждаемого медного покрытия. Вызвано это тем, что стеклоэпоксидные диэлектрики, наиболее широко используемые в качестве основания двусторонних и многослойных печатных плат, под воздействием температур при изготовлении, монтаже и эксплуатации платы растягиваются по высоте, т.е., вдоль металлизированного отверстия. Это растяжение, в зависимости от конструкции платы, может составлять от 1% до ~ 2%. Чтобы столб медного покрытия внутри отверстия выдержал это растяжение без разрыва, медь должна обладать достаточной пластичностью.

В качестве добавки к сернокислому электролиту широко используется ПлатаМет 604. Пластичность медного осадка, полученного с ее применением, превосходит показатели, получаемые при использовании импортных аналогов. Процесс гальванического меднения с этой добавкой - ПлатаМет 600 включает весь комплекс операций и материалов, необходимых для подготовки и собственно металлизации заготовки ПП. Очистка заготовок от загрязнений производится в кислотном очистителе ПлатаМет601, который позволяет проводить мягкую обработку, не используя щелочные растворы. Состав обладает хорошей смачивающей способностью, что позволяет обрабатывать отверстия с соотношением диаметра отверстия к толщине 1:10 и «глухие» отверстия. Очиститель легко удаляется при промывке холодной водой.

Микротравление меди производится в растворе ПлатаМет602. Раствор стабилен во времени и позволяет выполнять процесс с постоянной скоростью в течение длительного времени. Микротравитель не содержат комплексообразующих агентов и не вызывают проблем при обработке стоков. Гальваническое меднение осуществляется в сернокислом электролите с добавкой ПлатаМет 604. Электролит имеет высокую рассеивающую способность, что позволяет при металлизации печатных плат получить равномерное распределение осадка по поверхности и в отверстиях. Соотношение толщины меди на поверхности и в отверстиях близко к 1:1.

Медные осадки имеют высокий коэффициент удлинения (12-18%), выдерживает испытания на термоудар в течение более 10 сек, прочность на разрыв составляет 25 - 30 кг/мм2, электропроводность ~ 0,52 мкС/см. Процесс осаждения меди осуществляется в широком диапазоне рабочих плотностей тока при неизменно высоком качестве покрытия. Благодаря высокой пластичности осажденной меди печатные платы выдерживают все термические нагрузки при дальнейшем изготовлении и пайке плат без разрыва столба металлизации в отверстиях.

Осаждение сплава олово-свинец

Сплав олово-свинец на ПП может выполнять двоякую роль: являться металлорезистом, т.е. защищать медный рисунок платы при травлении, и паяльным покрытием. Вторая его функция постепенно сокращается, в связи с тем, что при изготовлении ПП с защитной маской предприятия переходят на нанесение сплава горячим способом или вообще отказываются от свинцово-содержащих финишных покрытий.

Процесс гальванического нанесения сплава является достаточно сложным, поскольку основная цель - осадить сплав определенного состава с наименьшей температурой плавления. Строго говоря, это должен быть состав: 63% олова и 37% свинца. Температура плавления его 180°С. При отклонении состава осаждаемого покрытия от эвтектического сплава температура расплавления увеличивается. Дополнительное тепловое воздействие, которому при этом подвергается ПП, может вызывать расслоение базового материала.

При осаждении сплава на печатные платы особое значение приобретает также то, что его состав зависит от плотности тока. С увеличением плотности тока облегчается осаждение олова, а значит, содержание его в сплаве увеличивается. Но условия осаждения сплава на проводниках и в отверстиях значительно отличаются. Вследствие существенного различия в плотности тока сплав на проводниках более богат оловом, чем в отверстиях, что отрицательно влияет на качество пайки на волне припоя.

Для получения плотных мелкокристаллических гальванических покрытий сплавом, равномерно распределенных по поверхности и в отверстиях печатных плат, необходимо использовать электролиты со специальными добавками. К таким добавкам относится добавка БОС.

Добавка БОС к борфтористому электролиту нанесения сплава олово-свинец имеет большое количество достоинств:

  • поставляется в виде концентрата, пригодного для прямого введения в электролит и обеспечивает максимальное удобство в работе;
  • при применении БОС не требуются поверхностно активные вещества, что позволяет ограничить круг поставщиков материалов;
  • обеспечивает высокую стабильность свойств электролита и качества осаждаемого покрытия.

В отличие от других электролитов, рекомендуемых для осаждения сплава олово – свинец на печатные платы, электролит с добавкой БОС содержит сравнительно небольшое количество кислоты (100 – 120 г/л), и поэтому наименее агрессивен. Катодная плотность тока достаточно высока и составляет 2,5 - 3,5А/дм2. У электролитов нанесения сплава олово – свинец с добавкой БОС отличная рассеивающая способность, благодаря которой при металлизации печатных плат соотношение толщины покрытия на поверхности и в отверстиях близко к 1:1, и высокая эффективность процесса. Скорость осаждения сплава составляет 1,2 мкм/мин при плотности тока 3 А/кв.дм.

Осаждение олова

Гальваническое осаждение олова на платы производится при использовании технологии изготовления ПП с удаляемым металлорезистом. При этом применяются самые простые сернокислые электролиты. Для получения покрытий высокого в электролит вводятся специальные добавки, например, структурообразующая добавка БОС-1.

Осадки, получаемые из электролитов с добавкой БОС-1, плотные, мелкокристаллические, равномерно распределенные по поверхности и в отверстиях печатных плат. Благодаря этому уже при толщине ~ 5 -7 мкм они надежно защищают проводящий рисунок при травлении меди с ПП и одновременно легко и быстро удаляются с проводящего рисунка для нанесения защитной маски по голой меди.

Финишные покрытия

Гальваническое осаждение двухслойных покрытий никель-палладий и никель-золото, используемых для покрытия концевых печатных контактов, за последние годы практически не претерпели изменений. Основные события происходили в области технологий нанесения финишных покрытий, предназначенных для защиты и обеспечения паяемости всех участков ПП, не защищенных маской.

Достаточно долгое время самым оптимальным считалось использовать покрытие сплавом олово-свинец, наносимое горячим способом. Однако оно имеет ряд недостатков, в т.ч, не обеспечивает компланарности (плоскостности) поверхности, создает горячую агрессивную среду и проблемы с экологией.

В настоящее время большинство финишных покрытий, обеспечивающих компланарность ПП, необходимую для поверхностного монтажа, наносится по защитной паяльной маске. Это химические (иммерсионные) покрытия, чаще всего оловом или золотом, получаемые за счет контактного обмена между материалом основы и катионами осаждаемого металла, находящимися в растворе. Такие 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. Кроме того, такая технология требует выполнения операций по нанесению, а затем удалению травильных металлорезистов – олова или сплава олово-свинец.

Альтернативой стала новая технология Элнис 220, предусматривающая нанесение двухслойного гальванического покрытия никель-серебро. Технология обеспечивает создание компланарного покрытия, выполняющего одновременно функции как травильного металлорезиста, так и защитного финишного покрытия. Далее покрытие никель-серебро обеспечивает надежную защиту медной поверхности и пригодно для всех видов сборочно-монтажных работ. Технология экономична, т.к. исключает затраты на выполнение операций по нанесению и удалению травильного металлорезиста. Учитывая, что операции никелирования и серебрения проводятся на заготовках печатных плат с нанесенным щелочесмываемым фоторезистом, в процессе используются только кислые электролиты.

Широко распространены в производстве ПП электролиты никелирования, содержащие в качестве основного компонента сернокислый никель. Недостатком этих электролитов является то, что они очень чувствительны к изменению режимов процесса и наличию примесей в электролите. При неблагоприятных условиях возможно образование хрупких и шероховатых осадков никеля.

Процесс «Элнис 220» предусматривает для получения никелевого покрытия использование сульфаматного электролита. Достоинством сульфаматных электролитов является то, что полученные из них осадки имеют высокую пластичность и хорошую прочность сцепления с основой. Ведение в электролит специальных добавок ЭлнисNi-А и Элнис Ni-Б обеспечивает получение беспористых полублестящих осадков никеля при толщине слоя 4 – 5 мкм.

При серебрении традиционно используются электролиты, работающие в щелочной области рН, что неприемлемо при металлизации плат со щелочесмываемыми фоторезистами. Поэтому современная технология изготовления плат потребовала создания принципиально нового электролита серебрения, работающего в кислой области.

Платы, изготовленные по вышеуказанной технологии, успешно прошли испытания на соответствие требованиям, предъявляемым к ПП.

Оборудование для металлизации

В отличие от большинства производителей оборудование, производимое СПбЦ «ЭЛМА», учитывает потребности не только серийных, но также мелкосерийных и опытных производств.

В качестве примера технических решений, закладываемых в оборудование, можно привести характеристики малогабаритных линий для выполнения химических и электрохимических процессов под общим названием «Элгамет». Варианты их исполнения: автоматический и полуавтоматический. Компоновка линий и их производительность определяются требованиями потребителей.

Вид полуавтоматической малогабаритной линии

Параметры полуавтоматической линии: Способ перемещения заготовок по ваннам – ручной. Контроль и поддержание технологических параметров в ваннах – автоматические. Управление: Все необходимые значения технологических параметров задаются оператором на лицевой панели шкафа управления. С момента установки подвески с заготовками на каждую рабочую позицию автоматически запускается отсчет заранее установленного интервала времени, по окончании которого выдается звуковой сигнал и включается световая индикация представлен на рис.1.

Вид системы управления полуавтоматической линии

Параметры автоматической линии: Способ перемещения заготовок по ваннам – с помощью автооператора. Контроль и поддержание технологических параметров – автоматический представлен на рис.2.

Вид автоматической малогабаритной линии представлен на рис. 3 и 4.

Система управления автоматической линии построена на базе программируемого логического контроллера и включает в себя набор модулей ввода-вывода управляющих сигналов и электронную панель индикации и управления. С целью упрощения и повышения надежности контроля и управления технологическими параметрами на лицевую панель выведены регуляторы температуры каждой ванны и органы управления исполнительными механизмами.

Система управления автоматической линии:

  • обеспечивает работу исполнительных устройств, в т.ч. автооператоров в ручном и автоматическом режиме по заданной программе в соответствии с технологическим процессом
  • позволяет гибко менять время экспозиции в каждой ванне, время выдержки автооператора с заготовкой над каждой ванной
  • автоматически устанавливать ток на каждую стороны заготовки в соответствии с введенным оператором значением площади металлизации, интегрировать суммарное количество ампер/часов по каждой ванне, суммарную площадь обработанных заготовок как по виду плат, так и по количеству.
  • обеспечивает обработку различных аварийных ситуаций.

Основные конструктивные решения автоматических и полуавтоматических линий:

  • каркасная рама и рама привода качания из нержавеющего профиля ванны и трубопроводная арматура из полипропилена
  •  ванны оснащены устройствами непрерывной фильтрации, циркуляции и др.
  • качание подвески под углом 45°
  • промывочные ванны – каскадные
  • все исполнительные механизмы и электронные устройства повышенной надежности
  • Все ванны, где это необходимо, оснащены тефлоновыми нагревателями с низкой удельной тепловой нагрузкой, обеспечивающими наилучшее распределение тепла  и исключающими наличие местных перегревов.
  • Все ванны, где это требуется, имеют датчики уровня раствора, установки фильтрации, циркуляции. Используемая комплектация – от лучших европейских производителей

Вид отдельных элементов комплектации представлен на рисунке 5.