3) сверла среднего диаметра от 0,45 до 3,00 мм;

4) сверла большого диаметра от 3,00 мм и выше.

По технологическому предназначению сверл инструмент можно разделить на пять следующих подгрупп:

1) для прецизионного сверления;

2) сверла для создания микропереходов;

3) сверла для сложных МПП;

4) стандартные (обработка двухсторонних и многослойных

печатных плат с малым числом слоев);

5) слотовые сверла.

В зависимости от того, в какую группу попадает инструмент, меняется его геометрия заточки, подъем винтовой канавки, а также изменяется состав материала.

Нужно сразу отмежеваться от сверл из инструментальной стали для сверления стеклопластиков: сверла из быстрорежущей стали Р18 изнашиваются уже через 50.100 отверстий. Причина - высокая абразивная способность стеклоткани. Поэтому сверла для печатных плат изготавливают из твердосплавных материалов методами порошковой металлургии: сначала спекают так называемую "куколку", затем алмазным инструментом вытачивают сверла. Минимальный диаметр сверл, который сегодня доступен в изготовлении, - 0,1 мм.

Основным компонентом для производства сверл и фрез является карбид вольфрама, в роли связующего вещества выступает кобальт и около 1% - это фирменные присадки, придающие инструменту своеобразные фирменные свойства. В частности, в качестве связки участвует около 8% кобальта и 1% фирменных добавок, включая молибден. Добавление молибдена придает инструменту упругость, так необходимую при глубоком сверлении. Это свойство также позволяет использовать сверла на оборудовании с низкими техническими характеристиками (биение цанги, шпинделя, относительно длительное время переходных процессов позиционирования стола). Такие присадки, как тантал и титан, позволяют материалу работать в самых тяжелых условиях резания, постоянные и переменные ударные нагрузки, повышенная температура на трущихся поверхностях. В процессе обработки печатных плат из стеклотекстолитов инструмент проходит сквозь разнородную среду: металл (медь), связующее (эпоксидная смола, полиимид, полиэфир и т.д.), наполнитель (стеклоткань, стеклошпон, полиэфир и т.д.). Самую большую опасность представляет минеральный наполнитель - переплетения стеклянных волокон и нитей. Совершенно разные нагрузки испытывает сверло при обработке композиционных материалов испытывает сверло при обработке композиционных материалов с 40% наполнителя и 60% связующего и наоборот. Очевидно, силы резания и трения, возникающие при прохождении сверла сквозь эти материалы, будут отличаться друг от друга. В связи с этим необходимо учитывать, что стеклотекстолиты разнятся между собой по конструкции в зависимости от толщины ламината. В толстых материалах применяется более плотная фактура стеклоткани, а в тонких основаниях ячейки стеклоткани имеют увеличенный размер и более тонкую основу стекловолокон. На рис.7 схематично изображены разные типы стеклотканей в базовом материале. Известно, что плотность нитей, образующих основу и уток, составляет 100-140 единиц на участке 100 мм для FR-4 и 160-200 единиц для отечественных материалов. На рис.7 хорошо заметна соизмеримость одного и того же диаметра сверла со стеклянной сеткой для разной толщины базового материала. Процесс изнашивания инструмента в момент работы происходит тем быстрее, чем больше абразивных частиц встречается на его пути. Поэтому соразмерность стекловолокон и нитей из них сдиаметром сверла, а точнее, к его режущим кромкам определяет периодичность смены инструмента в зависимости от толщины основы печатных плат. Поэтому оценку и сравнение инструмента по износостойкости необходимо делать в пределах одной группы или подгруппы материалов.

Рис.7 Соразмерность диаметра сверла и плотности переплетения стеклоткани: а-ткань, типа 1080, б-ткань, типа 1628, в-ткань, типа 2116.

Результат операции сверления взаимосвязан с последующими операциями, направленными на металлизацию отверстий. Например, для эффективной очистки отверстий МПП в перманганатных растворах необходимо предотвратить модификацию связующего, чтобы минимизировать воздействие химических растворов на диэлектрик. Модификация полимера происходит из-за нагрева режущих кромок до температур 300-400°С. И хотя вход и выход сверла при высокопроизводительном сверлении занимает всего 0,3 с, этого времени оказывается достаточно, чтобы оставить свой отпечаток на торцах контактных площадок внутренних слоев МПП и стенках отверстий: наволакивание связующего на торцы контактных площадок, подгар и остекленение поверхностного слоя связующего.

Известно, что теплостойкость стеклотекстолитов ограничивает скорости резания при различных видах их механической обработки, так как может развиваться температура, значительно превышающая теплостойкость материала. Кроме того, низкая теплопроводность ламинатов при воздействии температуры способствует длительной локализации тепла в узкой зоне нагрева, что, в свою очередь, может вызвать частичное испарение, обугливание и оплавление связующего с низкой термостойкостью.

На рис.8 показаны сверла, у которых диаметры уменьшаются при переходе от режущей части к хвостовику. Такие сверла хорошо адаптированы к обработке МПП, где наволакивание смолы на торцы внутренних контактных площадок вызывает проблемы очистки. Очевидно, чем меньшее усилие встречают продукты резания при удалении из зоны резания, тем выше качество обработки. Значит, не последнюю роль в этом играет и шероховатость поверхности стружечного канала (Rz). Особенно это становится актуальным при работе со сверлами из первых двух подгрупп. Закупоривание стружечного канала приводит к резкому повышению сил скручивания сверла, а это в свою ведет к частым поломкам инструмента. Для микросверления изготовители стремятся создать микрозернистый материал, тем самым увеличив стойкость и прочность режущего инструмента. Лучшие образцы этих подгрупп имеют зернистость порядка 0,4 мкм и меньше. Уменьшение величины зерна в материале благоприятно сказывается на точности заправки, шероховатости инструмента и стойкости режущих кромок. Сверла, геометрия которых изображена на рис.8, имеют один недостаток - это ограниченная длина боковой режущей кромки. В силу этого такие сверла необходимо перетачивать с особой осторожностью, постепенно приближаясь к необходимому результату

Рис.8 Отличительные признаки сверл: 1 - предельно малая толщина режущей грани - а; 2 - большое стружкоотводное пространство; 3 и 4 - большая симметрия режущих кромок; 5 - обратная конусность рабочей части сверла - х; 6 - утолщающаяся к основанию сердцевина сверл улучшенной конструкции - у; 7 - цилиндрический участок рабочей части сверла улучшенной конструкции; а - обычное сверло; б и в - сверла с увеличенной прочностью стержня.

Существуют три критерия для оценки процесса сверления: производительность, стойкость сверл и качество отверстий. Первые два критерия относятся к экономическим, а последний критерий характеризует качество готовых плат. Однако все три критерия накладывают свои требования на процесс сверления. Рассмотрим особенности конструкций сверл для сверления фольгированных стеклопластиков:

предельно малая толщина режущей грани уменьшает трение за счет уменьшения площади контакта между сверлом и одном отверстия;

тщательная обработка поверхностей направляющих ленточек и главной задней поверхности (Rz < 0,8 мкм) и спиральных канавок (Rz < 1,6 мкм) гарантирует большую стойкость, лучший отвод стружки и высокое качество отверстия;

большое стружкоотводное пространство (k = 0,2D) способствует лучшему удалению стружки, благодаря этому степень нагревания значительно меньше, уменьшается нанос смолы на стенки отверстия;

четырехгранная заточка, обеспечивающая хороший режим резания, и призматическая вершина сверла обеспечивают хорошую центровку, благоприятствуют удалению стружки, сверлению без задиров;

обратная конусность сверла (0,02 мм на 10 мм длины) уменьшает трение и способствует уменьшению теплообразования. Между тем обратная конусность должна быть настолько мала, чтобы диаметр сверления даже после нескольких переточек еще не выходил за пределы допуска;

особые требования к концентричности между хвостовикам и рабочей частью сверла (примерно 0,005 мм) направлены на улучшение точности центровки в процессе сверления;

важное значение имеет симметрия режущих кромок; осевое биение режущих кромок, измеряемое у ленточек, не должно превышать 0,01 мм. Многие из приведенных параметров геометрии и поверхности сверл можно получить только на специальном прецизионном станке, снабженном набором алмазных кругов различной зернистости. Только при этих условиях можно затачивать твердосплавные сверла, которые по качеству шлифованной поверхности не отличались от требований ГОСТ 22095 и технологической документации. Стружкоотводное пространство можно увеличить только уменьшением толщины сердцевины сверла. Это влечет за собой опасность увода сверла. Компромиссное решение состоит в выполнении сердцевины в виде конуса с основанием у хвостовика.

Какой бы малой ни была обратная конусность сверла, переточка, так же как и износ, приводит к постепенному уменьшению его диаметра. Чтобы замедлить этот процесс, начало рабочей части сверла на небольшой длине можно сделать цилиндрическим. Более подробно эти показано на рис.9. Однако такой конструкции сверла свойствен повышенный нанос смолы, поэтому ятя сверления МПП их используют редко. В основном они применяются там, где требуется повышенная точность диаметра отверстия, например для сверления отверстий под запрессовку штырей в плату.

В других конструкциях сверл используется увеличение стружечного канала за счет уменьшения площади поперечного сечения сверла с одновременным упрочнением материала. Тем самым сохраняется возможность многократной переточки инструмента. При работе с таким инструментом необходимо помнить об ограничении подач, чтобы не превысить предел прочности уменьшенного сечения сверла.

Рис.9. Удлиненная (цилиндрическая) режущая кромка сверла: а - уменьшенный диаметр тела сверла; 6 - дополнительная обработка при вершине сверла.

Для сверл, диаметры которых меньше 0,4 мм, не всегда делают четырехгранную заточку при вершине сверла. Хотя при таких размерах инструмента пересечение в пространстве двух граней дает линию, практически соизмеримую с точкой, все же для повышения точности центрирования сверла при вхождении в материал применяется дополнительная заточка. Для создания микропереходов в материалах используют сверла с небольшой рабочей длиной, за счет этого повышается жесткость инструмента и, как следствие, точность обработки. В случае необходимости эти сверла хорошо работают и при сквозном сверлении, необходимо лишь следить за максимально допустимой глубиной погружения инструмента в диэлектрик. Эта величина должна быть всегда меньше длины рабочей части на два диаметра сверла.

Сверление. С увеличением класса точности печатной платы возникает необходимость в сверлении с минимальным отклонением центра отверстия от координатной сетки, особенно это касается выхода сверла из заготовки (чем больше глубина обработки, тем больше вероятность ухода сверла). Из-за неоднородности структуры диэлектрика, возможных отклонений в изготовлении сверла и ряда других факторов происходит уход оси вращения инструмента от первоначального позиционирования. Для предотвращения этого явления выпускаются специально разработанные сверла, у которых реализована идея точного врезания в обрабатываемый материал и повышенной жесткости за счет как материала сверла, так и его конструкции. Такие сверла создают минимальные напряжения в местах, где производилась обработка. По данным фирмы НАМ, цилиндрическая часть при вершине сверла позволяет минимизировать увод инструмента в среднем до 12-15 мкм при полном погружении инструмента в материал.

В условиях массового производства бытовой техники стали широко использоваться так называемые "слотовые" сверла, С помощью этого инструмента на станках с ЧПУ можно высверливать контур будущей небольшой платы, вырезать монтажные пазы или маркировать панели. Они, как правило, выпускаются в небольшом интервале диаметров от 0,5 до 2,00 мм и имеют рабочую длину порядка 8 мм в зависимости от диаметра инструмента. Конструкция таких сверл направлена на увеличение жесткости.

Для сверл большого диаметра четырехгранная заточка при вершине сверла не применяется. Для уменьшения смещения центра отверстия от шага координатной сетки применяют дополнительную подрезку кромок у вершины сверла (рис.10). Суть такой доработки заключается в том, чтобы резать стружку на более мелкие элементы, не доводи до сплошной ленточки.

рис.10. Заточка сверла со стружколом

3.1.3 Фрезерование

Наряду с обрубкой контура и скрайбированием этот вид обработки приобретает все большую популярность благодаря высокой гибкости и автоматизации. Для учета специфики обрабатываемого материала и различных видов работ существует большое разнообразие фрез: контурные и пазовые, фрезы для обработки гибких печатных плат, для работ по комбинированным материалам (большое отношение толщины меди к диэлектрику; комбинация алюминий, медь, диэлектрик), фрезы для работ с термопластами и мягкими материалами. Классическим представителем контурных и пазовых фрез является инструмент с чередованием режущих зубьев, словно зерна кукурузы (фото на рис.11). Но на этом сходство заканчивается, так как у "кукурузных" фрез имеются винтовые каналы для отвода стружки. Чем больше величина зуба и круче поднимается стружечный канал, тем производительнее инструмент, но при этом возрастает шероховатость обработанной поверхности и, как следствие, падает точность. На фотографии рис.11 можно видеть вершину инструмента, на которой имеются два зуба, обеспечивающие врезание фрезы по вертикали. Необходимо тщательно подбирать подачу инструмента при фрезеровании, так как производительности вершины фрезы превышает ее производительность по боковой поверхности. Если пренебречь этим, то на боковой режущей части фрезы на расстоянии 1,5.2 мм от вершины быстро появится подгар и прилипшие продукты резания, которые не успевают освобождать стружковыводящие каналы. В результате наступает преждевременное старение инструмента как за счет возросшей температуры в зоне резания, так и от выключения из работы некоторого количества зубьев. Чтобы продлить срок службы фрез, необходимо оптимизировать подачу по оси Z.

У "кукурузных" фрез имеется ряд особенностей, использование которых может значительно облегчить обработку контура, а именно отвод продуктов резания вниз или вверх при правом вращении шпинделя. Конструктивно это выглядит так, как показано на рис.12 и 13. В практических целях большой интерес представляют те фрезы, которые при своем вращении не поднимают обрабатываемый материал, а наоборот, прижимают к столу станка и тем самым способствуют повышению точности обработки.

В тех случаях, когда требуется выдерживать более точные размеры изделия или иметь меньшую шероховатость поверхностей после обработки, необходимо применять другой тип фрез (рис.14). Такие фрезы имеют отличную производительность и позволяют работать ими в широких пределах подач. Их разновидности отличаются углом подъема боковой режущей кромки, величиной зубьев и их количеством. Эти элементы фрез влияют на производительность и чистоту реза.

Для фрезерования гибких печатных плат и тех материалов, которые в момент резания начинают "плыть", предназначены двух - зубые фрезы с различной формой вершины - "рыбий хвост" или "сверло" (фото на рис.14). Такие фрезы справляются с печатными платами, в которые впрессован алюминиевый радиатор. Большой стружечный канал и достаточная жесткость обеспечивают возможность работать как в объеме, так и в плоскости.

В тех случаях, когда материал диэлектрика мягкий или имеет низкий порог теплоустойчивости (лавсан, тефлон и т.д.), используются фрезы с одним зубом, которые также снабжаются вершиной в виде "рыбьего хвоста" или "сверла".

Рис.11. Вершина фрезы с двумя зубьями для врезания в материал.

Рис.12 Фрезерование с выбросом стружки вверх

Рис.13. Фрезерование с выбросом стружки вниз

Рис.14. Фреза для тонкой обработки контура плат

3.1.4 Сверлийные станки.

Современные сверлильно-фрезерные станки для сверления печатных плат объединены общими признаками технического исполнения:

стол-основание из натурального камня или гранита;

стандартный привод X-Y на линейных двигателях;

перемещение по Х - Yрабочих органов на воздушных подшипниках;

малая масса рабочего стола за счет использования новых композиционных материалов, в частности углепластика;

высокоскоростной шпиндель: 150 тыс. об/мин, высокочастотный шпиндель для микросверления - 180 тыс, об/мин;

автоматическая смена инструмента;

система лазерного контроля состояния инструмента до и в процессе работы;

управляемый скоростной сервопривод по оси Z;

контроллер компьютерного управления.

Благодаря удачной сбалансированности этих элементов конструкции создается хорошее сочетание точности позиционирования (до ±5 мкм) и производительности (до 400 отв/мин), возможность механического сверления отверстии с диаметром до 0,1 мм, точность глубины сверления до ±25 мкм (для станков KLG - ±7 мкм), высокая скорость перемещения; по осям X-Y с ускорением 10-15 м/с², по оси Z - 3,6g, Автоматическая смена инструмента согласуется с производительностью станка - магазин сверл может загружаться сотнями и даже тысячами сверл десятка номенклатур.

3.1.5 Химическое сверление

Использование полиимидных пленок для наращивания слоев МПП позволяет вытравливать в них глухие отверстии в крепких горячих щелочах. Для этого первоначально в соответствующих местах вытравливаются окна в фольге, которая в данном случае играет роль маски. Этот групповой метод оформления отверстий, естественно, обладает высокой производительностью. Но отсутствие соответствующих установок со струйной обработкой горячими щелочами вынуждает использовать погружное травление, что влечет за собой нежелательное подтравливание диэлектрика под фольгой. Тем не менее при отсутствии соответствующего оснащения травление отверстий остается единственным способом выполнения глухих отверстий.

3.2 Химическая металлизация

3.2.1 Теоретические основы процесса химического меднения

Получение металлического проводящего рисунка как в отверстиях, так и на поверхности диэлектрических материалов осуществляется обычно в две стадии. Вначале диэлектрик металлизируется химическим (бестоковым) способом, а затем на полученный тонкий слой металла осаждается медь гальваническим способом до необходимой толщины металлического слоя. В так называемых аддитивных методах изготовления печатных плат проводящий рисунок получают за одну операцию химической металлизации, осаждая достаточно толстый слой металла, не прибегая к гальваническим процессам.

Способом химической металлизации можно осаждать различные металлы: серебро, медь, никель, кобальт и др., однако наиболее экономичным является процесс химического меднения, который обеспечивает также хорошее сцепление металла с диэлектриком и необходимую электропроводность.

Процесс химического меднения характеризуется сравнительно меньшими затратами на материалы, сами растворы отличаются высокой стабильностью и удобны в эксплуатации, так как нe требуют сложного оборудования.

Химическое восстановление меди из растворов ее солей происходит под действием веществ-восстановителей, к числу которых относится формальдегид, являющийся дешевым и недефицитным материалом. Реакция восстановления меди протекает в щелочной среде, поэтому ионы меди должны быть связаны каким-либо комплексообразователем во избежание осаждения меди в виде гидроокисей.

Процесс химического меднения является типичным окислительно-восстановительным процессом, протекающим в присутствии катализатора. Этот процесс относится к категории автокаталитических, т.е. начинается он под действием какого-либо катализатора, например металлического палладия, а затем образовавшиеся кристаллы меди сами катализируют дальнейшее выделение меди и процесс происходит уже самопроизвольно.

Окислительно-восстановительная реакция образования металлической меди может быть представлена в следующем виде:

катодная реакция - ,

анодная реакция -

Стандартный окислительно-восстановительный потенциал этой реакции равен 1,07 В. Параллельно этой реакции происходит окисление формальдегида гидроксильным ионами с образованием газообразного водорода:

Суммарная реакция восстановления меди

Справедливость этой реакции подтверждается тем, что образуются указанные в ее правой части продукты, причем на 1 моль выделяющейся меди приходится I моль газообразного водорода. Увеличенный против реакции расход формальдегида и щелочи объясняется протеканием реакции Каниццаро:

Побочной реакцией, происходящей при химическом восстановлении меди, образования закиси меди по уравнению

Образование частиц закиси меди является одной из причин разложения раствора, так как они, играя роль катализатора, обусловливают восстановление меди в объеме раствора. С целью предупреждения данного явления в состав раствора вводят в очень малых количествах вещества-стабилизаторы, которые адсорбируясь на малых частицах металлической меди, приостанавливают их дальнейшее увеличение и этим сохраняется дальнейшая работоспособность раствора. Положительную роль оказывает также воздушное перемешивание, так как кислород воздуха окисляет закись меди в соединения, где медь двухвалентна. Медь связывается затем в исходную комплексную соль.

В качестве комплексообразователей служат обычно калий-натрий виннокислый (тартрат калия-натрия), динатриевая соль этилен-диамнитетрауксусной кислоты (трилон Б), лимонная кислота, этилен-диамин.

3.2.2 Активирование поверхности

Процесс химического меднения, как указывалось выше, является автокаталитическим - в начале его требуется катализатор в виде частиц металлического палладия или другого вещества. Операция, в результате которой на диэлектрике создаются каталитические частицы, называется активированием.

В практике химического меднения полимерных материалов активирование осуществляют последовательной обработкой деталей вначале в растворе хлористого олова ( 20-25 г/л, NaCl 40-60 мл/л), а затем после промывки в воде детали погружают в раствор хлористого палладия, содержащий 0,5-1,0 г/л и 12-18 мл/л НС1 плотностью 1190 кг/м³ и снова промывают. Двухзарядные ионы олова, адсорбирующиеся на поверхности диэлектрика, восстанавливают ионы палладия на диэлектрике до металла по реакции:

Такой способ активирования печатных плат из фольгированных диэлектриков не рекомендуется, так как на медной фольге вследствие реакции контактного обмена выделяется металлический палладий.

Это приводит к быстрому истощению раствора активирования и непрочному сцеплению слоя металла с медной фольгой. Имеется другой вариант раствора активирования, в котором палладий находится в виде аммиачно-трилонатного комплекса, и в этом случае реакции контактного вытеснения палладия отсутствует. Раствор этот содержит 3,5-4 г/л хлористого палладия, 11 - 12 г/л трилона Б к 300-350 мл/л 25 % -ного аммиака. Температура раствора 15-20°С, выдержка - 3-5 мин. После промывок в воде детали необходимо обработать в растворе гипофосфита натрия, содержащем 30-50 г/л в течение 2-5 мин с целью повышения каталитической активности поверхности, так как гипофосфит, будучи очень сильным восстановителем, способствует более полному восстановлению палладия из довольно прочного комплесного соединения, в котором он находится. Активирование заготовок печатных плат в данном растворе применяется многими предприятиями.

За последние годы все большее применение получил метод прямого активирования посредством обработки заготовок плат в так называемом совмещенном растворе, содержащем одновременно ноны палладия и олова. Ниже приведем состав раствора (г/л).

Хлористое олово 40-45

Хлористый палладий 0,8-1,0

Соляная кислота75-80

Хлористый калий140-150

или

Хлористый натрий115-150

В этом растворе палладий находится в двух формах: в виде коллоидных частиц металла и его комплексной соли. После обработки плат в совмещенном растворе следуют промывки в воде, в результате чего происходит гидролиз солей олова и адсорбция гидроокисных соединений олова вместе с солями палладия и его коллоидными частицами на поверхности диэлектрика.

Полное восстановление палладия и удаление солей олова имеет место при последующей обработке в растворе "ускорителя" (20-35 г/л NaOH) в течение 2 мин к промывке в проточной воде. При этом происходит коагуляция частиц палладия и отмывка от четырехвалентного соединения олова.

Очевидно, что промывочная операция в процессе активирования с помощью совмещенного раствора имеет важное значение. Если она недостаточна по времени, то не произойдет гидролиза каталитического комплекса, т.е. не будет удален обволакивающий частицы палладия слой гидроокиси четырехвалентного олова. Удлинение времени промывки приводит к смыванию реагирующих компонентов, и эффект активирования не достигается. Следовательно, активирование при использовании совмещенного раствора состоит из следующих операции: погружения в совмещенный раствор на 5 - 10 мин; промывки в воде в течение 2 мин; погружения в раствор "ускорителя" на 1-2 мин; промывки в воде в течение 2 мин; погружения в раствор химического меднения.

С целью улавливания соединений палладия, относящихся к категории драгоценных металлов, устанавливается не менее двух улавливателей с непроточной водой. Извлечение палладия из них производится по методике, изложенной ниже.

Приготовление совмещенного раствора активирования необходимо выполнить по следующей методике: навеску хлористого палладия растворить в соляной кислоте из расчета 6 мл кислоты плотностью 1190 кг/м³ на 1 л приготавливаемого раствора при температуре 50-60єC. Раствор охладить, разбавив водой до 20 мл на 1 л. В отдельной порции растворить хлористое олово в соляной кислоте из расчета 20 мл кислоты на 1 л приготавливаемого раствора при температуре 40-50°С. Раствор охладить, добавив воды по 30 мл на 1 л раствора. Раствор хлористого олова медленно вливать в раствор хлористого палладия; выдержать полученную смесь при температуре 90-100°C в течение 10-15 мин. Затем в полученный раствор влить 90-100°С в течение 10-15 мин. Затем в полученный раствор влить оставшуюся кислоту и хлористый калин, растворенные в том количестве воды, которое необходимо для доведения ванны до рабочего уровня. Вода для приготовления растворов - дистиллированная.

Корректирование раствора производится по данным химического анализа. При уменьшении содержания до 10-12 г/л раствор корректируют введением кристаллического , затем подогревают до температуры 60-70°С в течение 10-12 мин. При уменьшении содержания до 0,2-0,3 г/л раствор корректируют введением концентрированного раствора в соляной кислоте. В случае образовании осадка или ослабления активирующей силы раствор корректируют по всем компонентам и подогревают до температуры 60 - 70°С в течение 10-12 мин. Раствор не следует фильтровать.

Извлечение палладия из отработанных растворов производится следующим образом. В отработанные растворы активирования и улавливатели погрузить цинковые стержни, добавив в улавливатели соляную кислоту (140 г/л) для создания кислой среды. В результате контактного обмена на поверхности цинковых стержней выделяется металлический палладий по реакции:

Порошкообразный осадок палладия механически удаляется и растворяется в соляной кислоте, к которой добавлена перекись водорода (пергидроль) в количестве 10-20 мл/л. Полученный раствор нагревается до разложения перекиси водорода, охлаждается и анализируется. Раствор можно использовать для корректирования ванн активирования или после упаривания сухой остаток сдается в качестве возвратимых отходов,

3.2.3 Растворы химического меднения

Состав растворов. Растворы, применяемые для химического меднения, отличаются большим многообразием содержащихся в них компонентов, однако в состав каждого раствора обязательно должны входить следующие веществе: соли меди; вещества для связывания меди в комплексную соль (лиганды); вещество-восстановитель (формальдегид); вещество, обусловливающее необходимую величину рН раствора; различные добавки.

В производстве печатных плат получили применение растворы, представленные в табл.16.

Таблица 16. Состав раствора химического меднения, г/л.

Раствор1 (ГОСТ 23770-79) является наиболее распространенным и экономичным раствором. Скорость осаждения меди - 2,5 мкм/ч, выдержка плат в растворе - 15-25 мин, толщина осажденного при этом слоя меди менее 1 мкм. В качестве стабилизаторов вместо тиосульфата натрия можно применять сульфид свинца (0,05 г/л) или диэтилдитиокарбонат натрия (0,005-0,01 г/л). Вместо виннокислого калия-натрия допускается применение винограднокислого.

Раствор 2 на основе комплексной соли меди с трилоном Б является более устойчивым по сравнению с раствором 1, поэтому раствор 2 характеризуется повышенной стабильностью и в нем достигается возможность осаждения слоя меди толщиной 3 мкм за 15-20 мин при температуре раствора 20-25 єС. Для снижении поверхностного натяжения и облегчения разряда водорода рекомендуется вводить лаурилсульфат натрия в количестве 0,1-0,3 г/л.

Применение раствора 2 при металлизации заготовок допускает возможность исключить операцию предварительного гальванического меднения, так как слой меди толщиной 3 мкм, полученный в результате химического меднения, достаточно прочен и обеспечивает выполнение последующих технологических операций.

Раствор 3 (ГОСТ 23770-79) применяется для металлизации печатных плат как более стабильный раствор, содержащий медь в виде трилонатного комплекса. Раствор может быть также использован для получения толстых слоев меди (25-30 мкм) при условии его непрерывного корректирования слоями меди, едким натром и формалином с помощью приборов автоматического дозирования, которые плодят указанные компоненты по сигналу датчиков-анализаторов. Возможно корректирование раствора по количеству пропущенных через него плат.

Приготовление и корректирование растворов. В отдельных объемах дистиллированной воды растворяют сернокислую медь, комплексообразователь и едкий натр. Затем сливают первые два раствора и при непрерывном перемешивании добавляют раствор едкого натра, после чего раствор в ванне доводят до рабочего уровня водой.

Раствор выдерживают 10-12 ч, фильтруют и корректируют по величине рН добавкой NaOH или . Формалин вводят за 15-20 мин до начала работы; стабилизаторы - через 2-3 мин после начала процесса химического меднения в количестве, соответствующем нижнему пределу, установленному рецептурой.

Корректирование раствора 1 производят по данным экспресс-анализа на содержание , NaOH, ежедневно в начале работы, по виннокислому калию-натрию один раз в 3-4 дня, тиосульфат натрия вводят в раствор в конце работы в количестве 0,001 г/л. Для предотвращения разложения раствора в период длительного хранения (более 24 ч), необходимо подкислить его до величины рН 5-6 добавлением серной кислоты, при небольших перерывах - подкислять до рН 12,2-12,3.

В случае закисления раствора тиосульфат следует вводить только после подщелачивания до рН 12,4.

Корректирование раствора 2 по меди, щелочи, формалину производят по данным химического анализа. Трилон Б добавляют в количестве от 5 до 7 г/л через 2-3 дня работы. Для длительного хранения раствора в нерабочем состоянии раствор следует подкислить серной кислотой до рН 10,0-10,5. Учитывая высокую стоимость этого продукта, а также необходимость исключить сброс в канализацию солей при смене раствора в ваннах химического меднения, поступают следующим образом:

В отработанном растворе химического меднения определяют концентрацию меди и сегнетовой соли, а затем добавляют сернокислую медь до получения концентрации , эквивалентной .

После этого раствор подкисляют серной кислотой до рН 3,8-4,3, в результате чего выпадает осадок виннокислой меди. Осадок декантируют, промывают холодной водой, собирают и высушивают при комнатной температуре. Виннокислую медь используют для приготовления свежих растворов.

Вышеприведенная методика позволяет полностью утилизировать ценные продукта (медь и соли виннокаменной кислоты), а также снизить затраты на обработку стоков, содержащих соли меди. Основные неполадки при химическом меднении представлены в табл.17.

Таблица 17. Основные неполадки при химическом меднении.

3.2.4 Практические рекомендации при химическом меднении

Химическое меднение отверстий в заготовках печатных плат является весьма ответственной операцией, определяющей качество металлизации и соответственно качество плат. При выполнении всего комплекса операций процecca металлизации следует руководствоваться нижеприведенными правилами.

1. Заготовки плат с просверленными отверстиями помещаются в вертикальном положения в кассеты, изготовленные из коррозионно-стойкой стали или из полимерных материалов (полипропилен, фторопласт). В процессе меднения и при выполнении предварительных операций осуществлять возвратно-поступательное движение кассет для того, чтобы растворы циркулировали через отверстия и платах.

2. После каждого цикла операции меднения кассеты следует обработать в одной из травильных растворов для удаления частиц меди, которые могут оседать на их поверхность в ванне химического меднения.

3. Раствор ванны химического меднения должен непрерывно фильтроваться для удаления механических загрязнений и частиц меди, образующихся в результате восстановления меди на взвешенных в растворе механических примесях.

4. После активирования плат в совмещенном растворе и промывки в двух улавливателях следует обработка в растворе, содержащем 20-21 г/л NaОH, промывка и загрузка в ванну химического меднения. В том случае, если производится электрополирование, обработка в щелочном растворе не производится.

5. Если для активирования используется аммиачно-трилонатный раствор, то после промывок платы обрабатываются в растворе-восстановителе, содержащей 30-50 г/л вместо раствора едкого натра, независимо от того, производится электрополированне или нет.

6. Платы, имеющие слой химически осажденной меди толщиной более 1мкм, рекомендуется термически обработать при температуре 80-90°С в течение 1 ч.

7. С целью замены в растворах химического меднения дорогой соли винной кислоты (сегнетовой соли) создан синтетический продукт - винограднокислый калий-натрий. Эта соль, хотя и имеет аналогичный состав, но отличается по структуре от сегнетовой и вследствие этого растворы химического меднении с применением винограднокислых солей характеризуются худшей стабильностью.

По опыту ряда предприятий достаточно хорошей стабильностью обладает раствор следующего состава:

Сернокислая медь 10-15

Винограднокислый калий - натрий 60-70

Едкий натр20-25

Кальцинированная сода20

3.3 Получение защитного рельефа

3.3.1Способы создания защитного рельефа

Для всех применяемых в производстве методов изготовления печатных плат необходимой операцией является получение защитного рельефа (рисунка). В негативных процессах рисунок защищает от вытравливания проводящие элементы печатной платы; в позитивном процессе рисунок необходим для защиты от электрохимического осаждения покрытий на пробельные места, т.е. на участки, с которых удаляется медь травлением.

В зависимости от условий производства и принятого технологического процесса при изготовлении печатных плат применяют фотохимическую, трафаретную или офсетную печать.

Процесс фотохимической печати основан на том, что под действием света, его ультрафиолетовой части спектра, некоторые виды материалов, называемые фотополимерными материалами, полимеризуются, образуя из линейных углеродных цепочек разветвленные молекулярные структуры. В результате полимеризации эти материалы приобретают новые свойства и, в частности, устойчивость к воздействию растворителей, которые были первоначально использованы для растворения этих материалов. Фотополимерные материалы, обладают подобными свойствами, называют фоторезистами. Фотохимическая печать применяется главным образом в условиях мелкосерийного производства, а также в тех случаях, когда требуется повышенная разрешающая способность (зазоры и ширина проводников менее 0,3 мм).

В условиях крупносерийного производства наибольший эффект получен от применения трафаретной печати или метода сеткографии. В этом случае на сетчатом полотне образуют с помощью фоторезистов защитный рисунок, который закупоривает ячейки сетки. Защитный рельеф на плате создается продавливанием через такую сетку специальных стойких красок, проходящих через свободные ячейки сетки.

Офсетная печать предусматривает перенос изображения с клише на резиновый валик, а при дальнейшем движении валика краска переносится на плату, формируя на ней рисунок, повторяющий изображение на клише. Метод обладает большой производительностью, легко автоматизируется, но защитный красочный слой, образуемый на плате, очень тонок (~1 мкм) и порист, а многократное нанесение изображения ухудшает точность рисунка. Офсетный способ не получил распространения на предприятиях.

3.3.2 Жидкие фоторезисты

Существует очень много материалов, обладающих способностью полимеризоваться под действием света, однако в практике производства печатных плат применяют фоторезисты на основе поливинилового спирта (ПВС), фоторезисты на основе диазосоединений, ФПП и фоторезист "холодная эмаль".

Фоторезист на основе ПВС. Поливиниловый спирт - синтетический полимер, хорошо растворимый в воде. При добавлении к нему бихромата аммония происходит "очувствление" ПВС и превращение его в фотополимерный материал. По ГОСТ 10779-78 выпускается ПВС марок 7/1, 11/2 и 15/2 для производства печатных плат. Фоторезист, содержащий 70-120 г/л поливинилового спирта, 8-10 г/л двухромовокислого аммония и 100-120 мл/л этилового спирта, обычно наносится в два слоя окунанием в него плат и медленным вытягиванием их из раствора. Первый слой подсушивается при 25 - 35°С в течение 20-30 мин, второй - при температуре 35-45°С в течение 60 мин. Экспонирование изображения осуществляется в вакуумных рамах под действием ртутно-кварцевых ламп ДРГТ-3000 в качестве источников света. Проявление изображения производится следующим образом: вначале плату погружают в раствор метил-виолета (2-3 г/л) на несколько секунд, а затем, окунув ее в теплую воду, или под струей теплой воды поверхность платы протирают с помощью поролоновой губки. Окраска нужна для контролирования качества проявления. После, промывки в воде следует химическое дубление в растворе хромовой кислоты (50 г/л) в течение 1-2 мин. После тщательной промывки и сушки воздухом производят термическое дубление при температуре 100-120 ^СС в течение 3 ч для придания фоторезисту повышенной химической стойкости.

Фоторезист на основе ПВС нетоксичен, обладает хорошей разрешающей способностью (50 линий на 1 мм), прост в приготовлении и употреблении. Однако он обладает и рядом недостатков: "темновое дубление" (задубливание в темноте), нестабильность свойств под влиянием повышенной влажности и температуры окружающей среды, недостаточная устойчивость против воздействия растворов гальванических ванн и особенно борфтористоводородных электролитов.

"Темновое дубление" влечет за собой повышенный процент брака на операции получения защитного рисунка. Оно является результатом окисления фоторезиста свободной хромовой кислотой, которая образуется вследствие гидролиза двухромовогокислого аммония, входящего в состав фоторезиста. "Темновое дубление" усиливается с увеличением влажности воздуха и повышением температуры, в также при длительном (более 3 ч) хранении заготовок с нанесенным фоточувствительным слоем. Повышенная влажность и температура окружающей среди, кроме того, ухудшают механическую прочность и адгезию фоточувствительного слоя.

Фоторезисты на основе диазосоединений. Эти фоторезисты являются позитивными по способу образования рисунка, т.е. при экспонировании они разрушаются под действием света. Фоторезисты этого типа характеризуются очень высокой разрешающей способностью (350-400 линий на 1 мм), отсутствием "темнового дубления" и повышенной химической стойкостью, однако они еще очень дорогие, токсичные и применяются только в технически обоснованных случаях. Светочувствительность обусловлена наличием "диазогрупп" - N = N - , которые под действием света разлагаются и образуются продукты в виде сложных органических кислот. Эти продукты в щелочной среде образуют хорошо растворимые соли, которые способствуют проявлению рисунка.

Фоторезист ФПП. Фотополимер для печатных плат ФПП выпускается в виде готового продукта по ТУ НУО.028.012. Фоторезист обладает хорошей устойчивостью к электролитам, механически прочен, имеет хорошую адгезию к подложке и большую разрешающую способность.

Однако высушенный слой фоторезиста весьма чувствителен к кислороду, который ингибирует эффект фотополимеризации. Для защиты от воздействия кислорода фоторезист покрывают лавсановой пленкой или наносят тонкий слой ЛВС.

Фоторезист "холодная эмаль" является продуктом, аналогичным фоторезисту ФПП, и приготавливается непосредственно на предприятии из отдельных компонентов, к которым относятся бензол-формальдегидная смола, сухой сополимер, полиэфир ТГМ, гидрохинон, метилвиолет, растворенный в этиловом спирте (на 1 л фоторезиста необходимо 820 мл спирта).

Этот тип фоторезиста также обладает рядом преимуществ перед составам на основе ПВС, в частности большей химической стойкостью, прочностью, стабильностью, и характеризуется отсутствием "темнового дубления".

Формирование защитного рельефа с помощью фоторезиста ФПП производится в том же последовательности операций, что и для фоторезиста ПВС. Проявление рисунка производится раствором двууглекислого натрия (концентрацией 40 г/л) или соды кальцинированной (концентрацией 40 г/л) при температуре 35-40°С.

В операции дубления нет необходимости, так как защитный рисунок создается весьма устойчивой пленкой. Из отработанного проявителя можно утилизировать фоторезист, добавляя к проявителю 10 % -ный раствор серной кислоты до рН 5-6 (по индикаторной бумаге).

Компоненты фоторезиста выпадают в осадок, который отфильтровывается бумажным фильтром, подсушивается на воздухе и вторично используется для приготовления фоторезиста в виде спиртового раствора.

Существенным недостатком жидких фоторезистов всех типов является почти полная невозможность их использования в базовой технологии для нанесения на заготовки плат с просверленными отверстиями, так как при заливке отверстии жидкими фоторезистами образуются вытяжки, неровности и другие дефекты, затрудняющие фотопечать.

Другим их недостатком является малая толщина слоя защитного рисунка, вследствие чего при гальванических операциях осаждаемый металл, разрастаясь, образует грибовидную форму проводника. Однако использование фоторезиста ФПП в базовой технологии имеет место в тех случаях, когда фоторезист наносится на заготовку с металлизированными отверстиями на валковых установках. Тогда он не попадает в отверстия.

Для защиты при экспонировании поверхностного слоя фоторезиста от воздействия кислорода и озона на плату наносят окунанием слой желатины, который легко удаляется в процессе проявления.

3.3.3 Сухие пленочные фоторезисты

Сухие пленочные фоторезисты СПФ представляют собой трехслойную композицию, в которой первый и третий слои - защитные, а средний слой представляет собой собственно фоторезист весьма сложного состава. Основу фоторезиста составляют мономеры с двойными связями, способные к полимеризации под действием света, и полимерные связующие. В состав фоторезиста вводится также сенсибилизаторы, ингибиторы, адгезивы, красители и пластификаторы. Структура фоторезиста представлена на рис.15 а). Импортные сорта фоторезиста типа "Ристок" выпускаются в четырех модификациях и имеют толщину 12,5; 25; 37,5 и 62,5 мкм.

Отечественные пленочные фоторезисты марок СПФ-1, СПФ-2, выпускаемые по ТУ6-17-359-77, имеют толщину пленки 20, 40 и 60 мкм. Некоторые свойства СПФ-2 описаны в ГОСТ 23727-79.

Пленочные фоторезисты значительно технологичнее жидких, обеспечивают возможность нанесения рисунка схемы на заготовки с отверстиями, обладают высокой стойкостью к действию травильных растворов и к электролитам гальванических ванн. Их разрешающая способность обеспечивает получение минимальной ширины проводников и зазоров 0,15 мм. Сухие пленочные фоторезисты наносятся на платы посредством прокатывания их горячий валиком через защитную лавсановую пленку в установках-ламинаторах. Температура валиков 100-120 єС Защитная полиэтиленовая пленка перед этим отделяется, наматывается на вспомогательную бобину.

Схематически операция нанесения СПФ представлена на рис.15б). В том случае, когда СПФ наносится с целью защиты от вытравливания, используют фоторезист толщиной 20 мкм; для гальванических операций применяют пленку толщиной 40-60 мкм.

Следует иметь в виду, что в процессе ламинирования (накатки) выделяются газообразные продукты в виде хлорированных углеводородов - хлористый метилен и трихлорэтилен, которые относятся



Рис.15.

а) б)

рис.7. а) Струтура пленочного фоторезиста:

1-полиэтиленовая пленка,

2-сухой фоторезист,

3-пленка лавсана.

б) Схема нанесения пленочного фоторезиста:

1-бобина для намотки полиэтиленовой пленки,

2-рулон фоторезиста,

3-отделительный валик,

4-прижимной валик,

5-плата.

к категории весьма токсичных веществ, поэтому в установках для ламинирования предусматривается вытяжная вентиляционная система. После накатки СПФ платы выдерживают а течение 30 мин при комнатной температуре в помещении с желтым светом для снятия внутренних напряжении в пленке. Экспонирование производят через прозрачную лавсановую пленку так же, как и для жидких фоторезистов, применяя ультрафиолетовый источник света в виде ртутно-кварцевых ламп с диапазоном спектра 300-400 мм. Продолжительность экспонирования определяется опытным путем. Перегрев платы недопустим, так как при этом происходит прилипание защитной лавсановой пленки к фоторезисту. После экспонирования заготовка плат выдерживается в течение 20-30 мин в затемненном месте для того, чтобы завершился процесс полимеризации тех участков фоторезиста, на которые воздействовал свет. Проявление изображения рисунка производится в установках струйного типа действием растворителя метил хлороформ а в течение 1-2 мин.

Удаление фоторезиста по окончании операции травления или гальванического покрытия сплавом олово-свинец производят также распылением растворители хлористого метилена под более сильным давлением (0,3-0.4 МПа). С целью более полного удаления остатков фоторезиста и пленок органических материалов платы дополнительно подвергают струйной промывке водой под давлением 0,2-0,3 МПа.

При обработке СПФ следует иметь в виду, что растворители - метил хлороформ и хлористый метилен - негорючи, но чрезвычайно токсичны. Поэтому все операции, связанные с их применением, должны производиться в хорошо загерметизированных установках, оснащенных вытяжными устройствами.

В установках для проявления и снятия фоторезиста предусматривается замкнутый цикл использования растворителей. После орошения плат растворители поступают в дистиллятор и чистые растворители перекачиваются на повторное использование. Кубовые остатки от дистилляции периодически извлекаются к отвозятся за пределы населенных пунктов для захоронения в специально отведенных местах или сжигаются в печах с улавливанием продуктов сгорания водой во избежание загрязнения атмосферы хлоросодержащими газообразными веществами (фосгеном, хлористый водородом).