книги / Технология многослойных печатных плат
..pdfрого поколения имеют программное управление, увеличенное чи сло шпинделей и повышенную точность отработки координат. Па раметры и особенности конструкций этих станков: большая час тота подач шпинделя (до 2000 подач/мин); высокая скорость по зиционирования (5 10 м/мин), которая достигается в результа те применения малоинерционных двигателей; высокие точностные характеристики (точность отработки координат ± 5 ... 7,5 мкм и сверления ±12,5... 25 мкм); применение в качестве приводных двигателей отработки координат двигателей постоянного тока; на личие обратной связи, обеспечивающей отработку запрограмми рованной координаты; широкий диапазон выбора числа оборотов (0 ... 80 000 об/мин).
В настоящее время выпускаются сверлильные станки третье го поколения с программным управлением и сложной системой команд. Совершенствование сверлильных станков ведется в сле дующих направлениях: увеличение числа шпинделей, скорости их подачи и вращения; упрощение методов фиксации плат на пло щадке стола и их совмещения; автоматизация смены сверла; уменьшение шага перемещения, увеличение скорости привода; создание систем, предотвращающих сверление отверстий по незапрограммированной координате и повторное сверление на преж ней координате; переход на непосредственное управление станка от ЭВМ; повышение точности отработки координат.
При сверлении МПП было обнаружено наволакивание смо лы на кромки контактных площадок, что значительно усложнило металлизацию сквозных отверстий. Наволакивание приводит к появлению на меди барьерного слоя, препятствующего электри ческой связи между контактной площадкой и металлизацией в отверстии (межслойные соединения). Этот дефект трудно обна ружить. Наволакивание — следствие местного перегрева слоис того материала при сверлении. Эпоксидное связующее становит ся пластичным и наволакивается на торцевые медные поверхно сти в результате нагрева, давления и трения. Для визуальной оценки состояния торцов контактных площадок платы после свер ления обрабатывались в полисульфидном растворе. Исследования установили, что:
при заточке сверла с углом при вершине, равном 82°, наблю дается максимальное наволакивание смолы, но износ сверла мак симален. Исходя из экономических предпосылок, исследователи считают, что стандартный угол при вершине, равный 118°, с оп тимальной степенью остроты заточки дает наилучшие результаты;
сверление под водой резко снижает эффект наволакивания;
применение затылованных спиральных сверл и сверл с зани женным диаметром нерабочей части, которые не соприкасаются с
отверстием после прохождения материала, не уменьшает навола кивания.
Использование подводного сверления связано с рядом тех нических трудностей. Прежде всего, необходимы специальные
112
сверлильные станки, которые были бы надежно защищены от коррозии, особенно в шпиндельной группе и приводе стола. Та ких станков нет, а обычные станки © результате коррозии резко теряют точность.
Отечественной промышленностью разработан метод сверления в водяном тумане. Специальное приспособление вокруг сверла создает водяной туман. Этот метод дал заметный эффект сниже ния наволакивания смолы на торцах контактных площадок, не сколько повысилась стойкость инструмента. Однако даже незна чительное попадание воды в механизмы станка вызывает корро зию. Ряд зарубежных авторов предлагает с целью устранения на волакивания использовать двойное сверление. Первый проход вы полняют сверлом диаметром на 0,05 мм меньше, чем при втором сверлении. Но такой метод сверления резко снижает производи тельность. Термообработка после сверления приводит к уменьше нию содержания влаги в заготовке.
Обычно при сверлении глубоких отверстий (МПП из 24 сло ев) применяется метод предварительного сверления, в котором сиерление производится в три приема: первым сверлом с корот кой рабочей частью (для позиционирования и уменьшения отно шения высоты к диаметру), затем сверлом большей длины и да лее— еще более длинным сверлом. Каждым сверлом просверли вается не более 1000 отверстий. Затем сверло затупляется, уве личивается нанос смолы, ухудшаются условия очистки отвер стий. Классификация дефектов металлизации отверстий ПП, при
чиной которых является неправильный выбор режимов |
сверле |
||||
ния или дефекты инструментов: |
|
|
|
|
|
|
В озм ож ная причина |
С п особ |
уст ранения |
||
Шероховатые стенки |
Износилось I(затупи |
Проверить |
и |
заменить |
|
отверстия |
лось) или сломалось |
сверло |
|
|
|
Деформировано от |
сверло |
Уменьшить подачу. Уве |
|||
Неправильный режим |
|||||
верстие; контактные |
|
личить число |
оборотов |
||
площадки смещены; |
|
сверла |
|
|
|
наволакивание смолы |
|
|
|
|
|
в отверстиях |
|
|
|
|
|
Посторонние включе |
Стружка стеклотекс |
Увеличить |
шаг |
спирали |
|
ния в осажденном |
толита не удалена |
сверла и |
давление |
воз |
|
слое меди |
из отверстия. Невер |
духа при |
продувке |
пла |
|
|
ный шаг спиральной |
ты после сверления |
|
||
|
канавки сверла |
|
|
|
|
Канавки забиваются стружкой. После сверления канавки не очищаются
Широко применяются режимы сверления со скоростью реза ния 40 ... 50 м/мин. Новые сверлильные станки с программным уп равлением, которые предлагают зарубежные фирмы, оснащены шпинделями, имеющими 30 ... 90 тыс. об./мин, например англий ский станок фирмы «Веро».
Штамповка становится наиболее приемлемой операцией, если отверстие имеет не круглую форму.
Сверление прецизионных МПП. Этот процесс включает две опе рации: сверление переходных отверстий малого диаметра 0,2 ...
... 0,3 мм и сверление отверстий при соотношении высоты и ди аметра отверстия, значительно превышающем 3.
Получение переходных отверстий малого диаметра связано с проблемой создания сверл малого диаметра. Ряд зарубежных фирм («Хавера», ФРГ; «Эксселона», США и др.) освоили изго товление сверл малого диаметра — до 0,2 мм. При сверлении от верстий такого диаметра необходимо соблюдать следующие ус ловия: толщина плат не должна превышать четырех диаметров сверл; скорость резания должна оставаться 0,03... 0,05 мм/об.; чистота обработки сверл должна быть, по крайней мере, на класс выше (VII и выше). Однако даже при соблюдении этих условий процесс изготовления сверл уменьшенного диаметра связан с большими трудностями. Так, по данным фирмы «Хавера», если выход годных сверл диаметром 1 мм составляет 80% и более, то для сверл диаметром 0,2 мм — лишь 30%. Низкий выход годных сверл малого диаметра вызван многими причинами, например высокой зернистостью твердых сплавов (до 20 мкм).
В нашей стране производство сверл малого диаметра пока не освоено, поэтому разработан новый метод получения отверстий
малого диаметра — лазерное сверление. |
Для получения отверстий |
с повышенным соотношением высоты |
к диаметру используется |
метод предварительного сверления отверстия коротким сверлом, что позволяет иметь направление для последующего сверления и уменьшить соотношение высоты к диаметру. Поэтому для обеспе чения процесса механического сверления прецизионных МПП не обходимо: повышение точности позиционирования сверлильных станков до ± 5 мкм; увеличение частоты вращения шпинделя до 100 тыс. об./мин; уменьшение биения сверла до 5 мкм; организа ция производства твердых сплавов с малой зернистостью (до
7мкм).
Сцелью управления качеством металлизации в программе сверления предусматривается фиксация момента затупления свер ла по значению энергии, затрачиваемой на сверление. После свер ления отверстий в МПП производится термообработка их при 120... 130° С в течение 1,5... 2 ч. Цель этой операции — снять внут ренние напряжения. Если раньше основными проблемами при сверлении МПП был эффект «шляпки гвоздя» (расплющивание
торцов внутренних проводящих слоев, в результате чего медь за крывает поверхность диэлектрика, резко ухудшая условия трав ления стенок), то в настоящее время этот дефект почти не встре чается благодаря улучшению качества сверл и свершенствованию сверлильных станков. Позиционная точность отечественных и не которых зарубежных станков для сверления отверстий в ПП при ведена в табл. 8.1 [3].
Позиционная точность сверлильных станков
|
Марка станка |
Позиционная |
Среднеквадратическое откло |
|||
|
точность |
|
нение, |
мм |
||
(страна-изготовитель) |
(паспортные |
|
|
|
||
|
|
|
данные, мм) |
расчетное |
\ |
фактическое |
|
|
|
|
|||
ОФ-72 |
(СССР) |
+0,05 |
0,017 |
|
0,023 |
|
СФ-4 |
(СССР) |
+0,03 |
0,01 |
|
0,017 |
|
КД-36 |
(СССР) |
±0,025 |
0,008 |
|
0,023 |
|
АВ-24 |
(ФРГ) |
+0,03 |
0,01 |
|
0,012 |
|
«Шмоль» |
(ФРГ) |
|
||||
сАлфа-3> |
(США) |
±0,015 |
0,005 |
|
0,004 |
Считается, что частота поломки сверла возрастает линейно при увеличении длины сверл и в третьей степени при уменьшении их диаметра. Ряд предприятий успешно используют луч лазера для изготовлений малых отверстий. Для создания плат с большой плотностью электронных контактов приходится изготовлять пла ты с соединениями внутренних слоев, не выходящими на поверх ность МПП, либо с соединениями внутренних слоев с отдельными внешними слоями. Такие соединения называют слепыми и выпол няют на отдельных ступенях технологического процесса, когда со единяются соответствующие слои МПП. Эта система, использую щая лазер, весьма перспективна, с ее помощью рассчитывают до вести диаметр отверстий до 0,1 мм, в том числе и при изготовле нии слепых отверстий [15].
Внашей стране попытки использования лазеров для получения отверстий в ПП проводились с середины 70-х гг. Однако жела ние получить отверстие в многослойной структуре металл — ди электрик — металл приводило к значительному повышению мощ ности заряда лазера при пробивке металла. Последующий мощ ный импульс пробивал диэлектрик и обугливал края отверстий, что не позволяло в дальнейшем их металлизировать. Поэтому с целью получения отверстий малого диаметра в диэлектриках про водится вытравливание фольги в центрах будущих отверстий с двух сторон, а затем пробивается отверстие с помощью лазера. Для получения отверстий используется лазер на углекислом газе мощностью 60 Вт, обеспечивающий малую расходимость излуче ния.
Внастоящее время проводятся экспериментальные исследова ния по получению глухих отверстий малого диаметра, когда фоль га на обратной стороне не вытравливается, а оставляется в каче стве отражающего экрана и исходного материала для осаждения металла с целью осаждения на стенках отверстий. Освоение тако го процесса позволило бы исключить операцию химического мед нения и ускорить процесс изготовления. В [16] показано, что для получения отверстий диаметром 0,2 мм в стеклотекстолитовых заготовках ПП толщиной 0,15 мм использовались импульсы мик-
росекундной длительности с мощностью в импульсе около киловат та в области длин волн 10,6 мкм. Установлено, что существуют
оптимальные серии импульсов (длительность серий 0,01... 0,1 с), обеспечивающие минимальную конусность отверстий и неокисляю щие материал платы на краях отверстий. При уменьшении плот ности лазерной мощности заметно увеличивается время форми рования отверстий и ухудшается их качество. Отверстия, сфор мированные лазерными импульсами, хорошо покрываются хими чески медью из раствора и никелем из газовой фазы, что в пер спективе дает возможность использовать их в качестве переходных отверстий в ПП.
9. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ ПЕРЕД ХИМИЧЕСКИМ МЕДНЕНИЕМ
9.1. СЕНСИБИЛИЗАЦИЯ
Обычно, чтобы придать диэлектрику способность к металлиза ции, проводят две специальные подготовительные операции —
сенсибилизацию и активизацию. Цель операции сенсибилизации — создание на поверхности диэлектрика пленки из ионов двухвалент ного олова, которые являются впоследствии восстановителями для ионов палладия. Обработанная в растворе двухлористого олова плата промывается в воде, при этом происходит гидролиз соли по схеме
I ступень
SnCl2 + H20-+Sn(0H)Cl + HCl
II ступень
Sn (ОН) Cl + H20->Sn (ОН) 2 + НС1
Продукты гидролиза SnCl2 обладают сильными восстанови тельными свойствами. Раствор SnCl2 во избежание образования коллоида готовится следующим образом: навеска SnCl2 растворя ется в концентрированной НС1, а затем разбавляется водой. Опти мальный состав раствора для сенсибилизации (г/л): SnCl2—10; НС1—40. Слишком малые количества Sn2+ в растворе сенсиби лизации приводят к неравномерности покрытия металлизируемой поверхности и снижению силы сцепления. Постепенное разбав ление сенсибилизирующего раствора водой, остающейся после промывки, предотвращают, предварительно погружая заготовку в 10%-ную соляную кислоту. В результате окисления раствора кисло родом воздуха и под действием света происходит частичное образо вание четырехвалентного олова БпСЦ, которое весьма склонно к гидролизу в кислой среде, вследствие чего раствор мутнеет:
3SnCl2+ l/202+ H 20-*SnCl4+2Sn (ОН) Cl;
SnCU+H20-*Sn(0H )C l3 + HCl.
Для предотвращения этого явления рекомендуется в раствор опустить несколько гранул металлического олова, в присутствии которого четырехвалентное олово медленно восстанавливается
116
до первоначального двухвалентного состояния Sn4++Sn°->- ->-2Sn2+. Поверхность меди должна быть практически без окисных включений, на которых может адсорбироваться большое ко личество олова. Увеличение содержания олова в растворе сенси
билизации |
может явиться причиной недостаточной адгезии меж |
ду фольгой |
(например, торцами контактных площадок) и химиче |
ски осажденной медью. |
Как показали электронно-микроскопические исследования, гид роокись двухвалентного олова адсорбируется отдельными пятна ми (доменами) на расстоянии, соизмеримом с размером домена и практически вся поверхность равномерно покрыта Sn(OH)2. До недавнего времени считалось, что накопление в растворе сенсиби лизации ионов четырехвалентного олова оказывает неблагопри ятный эффект, поэтому растворы сенсибилизации защищаются от окисления, т. е. от воздействия прямого солнечного света и кис лорода воздуха. Однако в последние годы установлено, что луч шим является раствор сенсибилизации, в котором наряду с ионами двухвалентного олова находятся ионы и четырехвалент ного. При сенсибилизации необходимо обеспечить прохождение раствора через отверстия в заготовках плат. С этой целью обычно производится покачивание подвесок с платами в растворе.
При травлении стеклотекстолита могут образовываться группы HSO+з, получающиеся в результате взаимодействия серной кисло ты с ионами водорода подложки (схема сульфинирования диэлект рика) :
Затем в растворе сенсибилизации происходит ионообмен — ионы водорода двух групп HSO~3 замещаются на ион двухвалент ного олова:
Вредной примесью в растворе сенсибилизации является ион Fe3+, так как в результате реакции 2Fe3++ S n2+-»-2Fe2++ S n4+ снижается концентрация SnCl2. После сенсибилизации платы про мываются и обрабатываются растворами солей благородных ме таллов (активация).
9.2. АКТИВАЦИЯ
Драгоценные металлы наиболее пригодны для этой цели, так как они легко восстанавливаются, относительно плохо пассивиру ются и являются хорошими проводниками. Наиболее широко ис пользуются соли палладия, например двухлористый палладий. Раствор стандартного состава содержит PdCl2 0,25... 1 г/л; НС1 (пл. 1,19) 2 ... 3 мл/л.
Структура PdCl2 характеризуется наличием цепеобразных группировок:
Так как в солянокислых растворах хлористый палладий нахо дится в виде соединения H2PdCl4, то реакция активации может быть представлена в виде уравнений:
Sn (ОН) Cl + H2PdCl4 + HCl-*-Pd+H2SnCl6+ Н20;
Sn(0H )2 + H2PdCl4+2HCl->Pd+H2SnCl6+2H 20.
Концентрация палладия в растворе активации чаще всего оп ределяется экспрессным методом по оптической плотности. С этой целью отбирается 1 мл исследуемого раствора в мерную колбу емкостью 50 мл, доливается дистиллированной водой до метки и перемешивается. Затем измеряется оптическая плотность раство ра на фотоколориметре ФЭК-56М и кювете шириной 10 мм со светофильтром № 3. Одновременно измеряют оптическую плот ность эталонного раствора, приготовленного так же, как иссле дуемый раствор.
Содержание |
палладия определяется по |
формуле |
С*=СЭтА*/ |
|
D3r, где Сэт — |
концентрация палладия |
в |
эталонном |
растворе; |
Ат — оптическая |
плотность исследуемого |
раствора; Аэт — оптиче |
ская плотность эталонного раствора.
Активирование обычно проводится при комнатной температу ре, и лишь иногда используется подогрев раствора PdCl2 до 40 ...
60° С. Для улучшения смачиваемости плата во время |
обработ |
||
ки |
в растворе подвергается ультразвуковой вибрации с частотой |
||
20 |
40 кГц в течение 2 мин. Эффективность активации |
пропор |
|
циональна |
количеству палладия, оставшегося на травленой по |
||
верхности. |
Необходимо, чтобы минимальное количество |
палладия |
118
на поверхности диэлектрика было 1 • 10 3 г/см. При обработке стандартным раствором, содержащим РбС1г и НС1, стенок отвер стий МПП, состоящих из чередующихся слоев фольга — диэлект рик — фольга — диэлектрик, протекают следующие параллельные
реакции:
на диэлектрике SnCh+PdCh-xPcP + SnCU;
торцах контактных площадок Cu+PdClj-^-PcP+CuCb. Сначала рассмотрим реакцию, протекающую на поверхности
диэлектрика при активации: ион палладия под действием двух валентного олова, предварительно адсорбированного на стадии сенсибилизации, переходит из ионного состояния в металлическое, придавая диэлектрику способность к металлизации. На поверхно
сти изоляционного материала |
вследствие адсорбции образуется |
||
тонкая сетка частиц металлического палладия |
порядка 1 • 10-9 |
м, |
|
расположенных одна от другой |
на расстоянии |
1 • 10-9 ... 2 - 10-9 |
м. |
Связь частиц палладия с подложкой определяется их внедрением в поры диэлектрика, а также образованием ковалентных связей между металлом и химическими структурами, возникающими в процессе обработки поверхности. Можно предположить, что при
этом имеет место обмен ионов олова |
на |
ионы |
палладия: |
so3 |
|
|
|
so3 |
|
|
|
Восстановление палладия завершается |
в ванне |
химического |
|
меднения и фиксируется визуально — на |
покрываемой поверхно |
||
сти образуется черный мелкодисперсный |
осадок металлического |
палладия. Для исследования процесса активирования применяют радиоактивные изотопы палладия, что позволяет легко обнаружи вать образование зародышей палладия. В качестве радиоактивно го изотопа обычно применяется чистый Pd109, испускающий |3-лу- чи, который получали при облучении стабильного изотопа PdltiS тепловыми нейтронами. Сравнительное измерение излучения Pd139 проводили с помощью р-сцинтилляционного счетчика с электрон
ным регистратором. При проведении эксперимента |
изотоп |
Pd109 |
|
добавляли в |
раствор травления — смесь бихромата |
калия |
(нат |
рия) и серной |
кислоты. Установлено, что концентрация драгоцен |
ного металла в последующих стадиях активирования и травления снижается, однако она остается достаточно большой, чтобы гаран тировать образование зародышей. Для сохранения постоянной скорости процесса активации необходимо поддерживать концент рацию палладия на уровне, указанном в рецептуре, при снижении на 30% производить корректировку, которая обычно выполняется
концентрированным раствором, например состава PdCb 50 г/л; НС1 25 мл; вода — до 1 л.
Рассмотрим побочную реакцию, происходящую на торцах кон тактных площадок. Эта реакция нежелательна. Обусловлено это
тем, что палладий, выделившийся на торцах медных контактных площадок, препятствует прочному и непосредственному сцеплению медной фольги со слоем химически осажденной меди. Являясь клас сическим поглотителем водорода, он захватывает водород, кото рый выделяется в процессе химического меднения, образуя^ гидри ды палладия. Пленка палладия, разделяющая торец медной фоль ги и химически осажденной меди, вследствие поглощения водорода становится все более рыхлой. Это приводит к снижению прочности сцепления химически осажденной меди и, главное, к высокому и нестабильному переходному электрическому сопротивлению. Кон тактное выделение палладия имеет место и при металлизации обычных (не многослойных) ПП, но это не приводит к резкому снижению качества, так как в этом случае обеспечивается боль шая площадь контакта между фольгой и слоем химически осаж денной меди. Проводятся работы по устранению контактного вы деления палладия на медных торцах переходных отверстий ПП. Так, применяется предварительное оксидирование медных торцов контактных площадок. Эта обработка повышает потенциал по верхности металла, что препятствует осаждению на ней палладия.
Оксидирование поверхности, однако, не всегда позволяет надежно устранить контактное выделение палладия на торцах фольги. Для удаления палладия с поверхности медной фольги, в том числе и с торцов, применяется электрополировка (анодное растворение палладия). Раствор для удаления палладия электрополировкой:
Ортофосфорная кислота Н3Р 0 4, (пл. 1,7), мл/л |
760 ... 780 |
|||
Бутиловый |
спирт, |
мл/л |
|
70 ... 100 |
Плотность |
тока |
при электрополировке |
10 А/дм2 |
|
Этим способом |
не удаляется |
палладий с внутренних |
слоев |
|
МПП. Для удаления палладия |
с внутренних слоев необходимо |
обеспечить подключение всех цепей к аноду, что далеко не всегда возможно; после выполнения электрополировки требуется произ вести разобщение цепей (обычно механическим способом — рас сверливая участки), при насыщенном монтаже сложно качествен
но, не повреждая цепи на других слоях, выполнить их прерыва ние.
Предложен способ активации заготовок раствором ацетилацетона палладия, который обладает способностью при нагреве раз лагаться, выделяя металлический палладий. Такие органические соединения палладия можно хранить и транспортировать в су хом виде, что удешевляет процесс активации. Однако использо
вание органических соединений является неблагоприятным фак тором.
9.3. о б р а б о т к а в с о в м е щ е н н о м р а с т в о р е
Для улучшения качества металлизации и сокращения техноло гического цикла фирма «Шиплей» предложила совмещенный раст вор для активации диэлектрика, где используются коллоидные
120