С целью уменьшения профессиональной вредности операции по обработке СПФ в токсичных растворителях и решения проблемы обезвреживания и уничтожения отходов производства разработаны и выпускаются промышленностью фоторезисты водощелочного проявления: ТФПК (ТУ ЫУО.037.074} и СПФ-ВЩ (ТУ 6-17-I086-8O). Фоторезисты этого типа можно применять только в тех случаях, когда последующие гальванические и химические операции производится в нейтральных или кислых растворах. Проявление изображения производится в 2 % -ом растворе кальцинированной соды, а удаление - в 2 % -ном растворе едкого натра. В результате в растворах постепенно накапливаются продукты, входящие в состав фоторезиста. Эти продукты удаляются путем подкисления раствора проявителя 10 % -ным раствором серной или соляной кислот. Выпадающий осадок продуктов отфильтровывается, подсушивается и укладывается в тару для пересылки в места уничтожения промышленных отходов. Для обработки пленочного фоторезиста типа СПФ-2 имеется необходимый комплект оборудования в той числе:

1. Установка экспонирования рисунка с точечным источником света, обеспечивающая освещенность внутри загрузочной рамы до 45 КЛк.

2 - Установка проявления фоторезиста, предназначенная для проявления СПФ-2 струями хлорированных растворителей на заготовках размером 600x500 мм. Установка конвейерного типа со скоростью конвейера от 0,2 до 4 м/мин. Производительность до 10 м/ч. В комплект установки входят дистиллятор, способный перегнать до 100 л/ч метил хлороформа или хлористого метилена и установка очистки воды с пропускной способностью до 1000 л/ч.

3. Установка снятия фоторезиста или сеткографических красок рассчитана также на струйную обработку плат размером до 600x500 мм и аналогичными параметрами по производительности (10 м²/ч). Установка также комплектуется дистиллятором с производительностью до 100 л/ч.

Имеется опыт удаления сухих пленочных фоторезистов (типа СПФ-ВЩ) электрохимическим способом путем катодной обработки в слабощелочных растворах или химически в той же среде с наложением ультразвука частотой 10 кГц.

Для фоторезиста водощелочного проявления типа СПФ-ВЩ имеются линии проявления и удаления. Обе линии конвейерного типа конструктивно аналогичны линиям травления. Линии модульного типа, они компонуются из отдельных узлов, выполняющих операции обработки, промывки и сушки. В составе линий имеется модуль наблюдения для контроля качества выполнения операции.

При работе с сухими пленочными фоторезистами встречаются неполадки, причины которых представлены в табл.18.

Таблица 18. основные неполадки при получении защитного рисунка с помощью пленочного фоторезиста.

3.3.4 Сеткография

Материалом для сетчатого трафарета могут служить шелковая сетка, синтетические ткани, металлические сетки. Шелковые сетки легко вытягиваются и склонны к набуханию от воздействия растворителей, поэтому в настоящее время они применяются очень редко. Более устойчивы к истиранию и действию химических реагентов полиамидные и полиэфирные сетки плотностью от 56 до 180 нитей на 1 см.

Капроновая сетка 49-76 выпускается для трафаретов по ОСТ 1746 - 71. Металлические сетки (ТУ 14-4-507-74) наиболее прочны, с них легко смываются краски, но они менее эластичны. При выборе сетки необходимо учитывать свойства печатной краски; важно чтобы она хорошо проходила через ячейки сетки не забивая их. Размер ячеек должен быть в 2,5-3 раза больше частиц пигмента. Сетка должна быть хорошо натянута в раме с помощью механического или пневматического устройства и закреплена клеем БФ-4 или адгезивом 2В. Перед нанесением трафарета сетки обезжириваются; металлические - в 20% -ном растворе синтанола или (катодное обезжиривание) в щелочном растворе при температуре 25-30 ^cC Капроновые сетки обезжириваются венской известью. Получение трафарета осуществляют прямым или косвенным способом. Прямой способ заключается в нанесении на натянутые сетки фоторезистов типа ФСТ-1 (ТУ 610-028-029) или композиции с "Фотосет-ж" (ТУ 6-15-01-138-77) и формировании изображения методом фотопечати, В этом случае ячейки сетки или полностью открыты или закрыты.

Косвенный способ заключается в перенесении рисунка из пленочных материалов на сетку. К таким материалам относятся пигментная бумага (ТУ 29-01-06-70), пленка КПТ-1 (ТУ КФ25-75) или пленка СПФ. Косвенные способы дают более качественное изображение, но тиражестойкость трафарета ниже (до 600 оттисков), и процесс получения трафарета более длителен.

Наиболее перспективным является способ изготовления трафарета с применением фоторезиста "Фотосет-ж". Полученный таким способом рисунок устойчив по отношению к воде, спирту, бутил-ацетату, уайт-спириту, ацетону. Тиражестойкость трафарета при этом составляет до 4000-5000 оттисков, продолжительность процесса изготовления трафарета - не более 30 мин. Композиция наносится поливом на натянутую сетку, выравнивается ракелем.

На фотошаблон во избежание прилипания его к сетке наносят антиадгезионный слой (5 % -ный раствор парафина в уайт-спирите). Экспонирование изображения производят с помощью ламп ультра-фиолетового излучения в течение 3-5 мин при освещенности 3000 - 3500 лк. Проявление выполняют с помощью ватного тампона, смоченного в этиловом спирте. Разрешающая способность фоторезиста (40 линий на 1 см) способствует получению зазоров между проводниками до 0,2 мм.

Основными преимуществами фоторезиста "Фотосет-ж" являются его способность полимеризоваться в жидком состоянии, возможность использования весьма простого оборудования, а также минимальная затрата времени на подготовку трафарета.

После нанесения изображения участки сетки, свободные от их рисунка, покрываются слоем клея БФ-4. При необходимости ретуширования дефектов рисунка можно использовать нитроэмаль НЦ-25.

Защитные рисунки на платах получают с помощью трафаретных красок, выпускаемых торжковским заводом полиграфических красок и другими предприятиями полиграфической промышленности.

Для негативного процесса применяются спирто-бензостойкие и щелочесмываемые краски: голубая СТЗ.12-35 (ТУ 29-02-725 - 77), желтая СТЗ.12-51 (ТУ 29-02-740-78), синяя СТЗ.12.2 (ТУ КФ 248-80),

Первые два типа красок сушатся при температуре 60-70°С в течение 45-55 мин. Краска СТЗ.12.2 разработана для применения в автоматических линиях, где сушка осуществляется воздействием ультрафиолетовых источников света. Продолжительность сушки 10-16 с.

Для позитивного процесса поставляется гальваностойкая краска CT3. I3 (ТУ 29-02-558-76), рассчитанная на растворы, имеющие величину рН 0,5-8,0. Слой краски толщиной 30 мкм сушится при температуре 50°С в течение 8 мин, в при температуре 100°С - 5 мин. Для позитивного процесса можно также применять краску СТ3.12 - 51. Для маркировки печатных плат рекомендуется краска CT3.19-53 (ТУ КФ 251-80).

При печатании необходимо учитывать следующее. Величина зазора между сеткой и заготовкой должна быть 1-3 мм - для капроновой и 0,8-1,5 мм - для металлической сетки. Угол печатающего ракеля к поверхности трафарета 46-60°С. Ракель изготавливается из бензостойкой резины или полиуретана. Краска СТЗЛ2 - 51 разбавляется этилцеллозольвом или уайт-спиритом, краска CT3.13 - смесью тетралина и бензилового спирта в отношении 4: 1, уайт-спиритом или хлористым метиленом. После работы трафаретные формы следует тщательно отмыть от краски смесью уайт-спирита с ацетоном 1:

1. Удаление краски CT3.12-51 можно производить 5% -ным раствором едкого натра при температуре 25-35°С в течение 3 мин. Для уменьшения пенообразования рекомендуется введение в раствор небольшого (2-4 %) количества пеногасителей, например КЭ-10-01 (ТУ 602-587-73).

Некоторые из дефектов, встречающиеся при сеткографическом способе получения защитного рельефа, представлены в табл.12. Технологические процессы подготовки сеткографических станков к работе, изготовления трафаретных печатных форм, подготовки поверхности сеток, получения рисунка на трафаретной печатной раме прямым и косвенным способом представлены в ГОСТ 23727-79.

Оборудование для сеткографической печати делится на основное и вспомогательное. К основному оборудованию относятся автоматы, полуавтоматы или ручные стойки для нанесения рисунка схемы на заготовки печатных плат и установка сушки краски на платах.

Из многих конструкций станков наибольшее распространен не получил однопозиционный с подвижным столом и неподвижным ракелем полуавтомат ПСПП-901, Его производительность 400 заготовок плат размером 300X400 мм.

В комплекте к полуавтомату ПСПП-901 поставляется терма-радиационная установка сушки конвейерного типа. Производительность ее от 100 до 300 заготовок плат в час, температура в зоне сушки от 40 до 100°С.

К вспомогательному оборудованию относятся установки для натяжения сетки, установки для экспонирования и проявления сетчатых форм, станок для заточки ракелей.

Таблица 19. Основные дефекты при получении защитного рельефа методом сеткографии.

Установка натяжения сетки ПУНС-901 предназначена для равно-мерного натяжения капроновой или металлической сеток с заданным усилием и приклеивания их к трафаретной форме. На установке выполняются следующие операции: загрузка трафаретной формы, укладка сетчатого полотна и закрепление его в зажимах, увлажнение сетки (капроновой), натяжение сетки, приклеивание сетки, сушка клея (и естественных условиях), обрезка сетки по контуру формы. Проверка идентичности натяжения сетки осуществляется специальным прибором, входящим в комплект установки. Максимальные размеры формы 668X 648мм, минимальные - 150 X 100 мм. Способ натяжения сетки пневматический; максимальное движение воздуха, подаваемого в пневмоцилиндры, 0,6 МПа.

Установка экспонирования сетчатых трафаретов УЭСТ-901 рассчитана на экспонирование сетчатых трафаретов с нанесенным фоторезистом "фотосет", ФПП, а также для экспонирования пигментной бумаги. Установка предусматривает возможность экспонирования форм размером До 660X640X20 мм. Источник света - 11 люминесцентных ламп ЛУФ-80, Прижим фотошаблона к трафарету - вакуумный.

Установка проявления трафаретных форч УПТФ-901 предназначена для выполнения следующих операций: загрузки трафаретной формы в фортмодержатель, проявления рисунка схемы проявляющим раствором, промывки водопроводной водой, продувки сжатым воздухом, сушки нагретым воздухом. Установка предусматривает проявление форм размером до 600X640 мм. Проявляющий раствор (вода, раствор соды или этиловый спирт) подается из форсунок с температурой от 18-20 до 45-65°С

Станок для заточки ракелей осуществляет заточку ракелей из полиуретана абразивным методом шлифования.

3.4 Гальванические процессы

3.4.1 Меднение

Меднение является основным гальваническим процессом в производстве печатных плат; гальваническим меднением получают слой меди в монтажных и переходных отверстиях, а также проводящий рисунок в полу аддитивной технологии. Из щелочных электролитов наиболее распространенными в производстве являются пирофосфатные электролиты. Из кислых электролитов известны фторборатные, сульфатные, кремнефторидиые электролиты, в которых медь находится в виде солей: и некоторые другие.

Пирофосфатный электролит. Основной компонент электролита - комплексная соль меди - образуется в результате растворений пиро-фосфата меди в избытке пирофосфата калия по реакциям:

Состав (г/л) и режим работы электролита приведены ниже.

Сернокислая медь () 90

Пирофосфат калия () 350

Лимонная кислота или цитрат калия 20

Аммиак водный (25 % -ный), мл/л1-2

Селенит натрия ().0,002

рН.....8,3-8,5

Температура электролита,°С...35-50

Катодная плотность тока, 0,8-1,7

Для приготовления электролита раствор сернокислой меди приливают небольшими порциями при интенсивном перемешивании к нагретому раствору пирофосфата натрия. Раствор при этом приобретает интенсивную синюю окраску. Затем в полученный раствор вводят поочередно лимонную кислоту и остальные компоненты. Разряд меди происходит из комплексного аниона, в результате чего этот процесс сопровождается значительной катодной поляризацией, обусловливающей мелкозернистую структуру покрытия и хорошие механические свойства осадка меди. В производстве печатных плат пирофосфатный электролит имеет следующие преимущества: высокую рассеивающую способность, обеспечивающую получение слоя меди в отверстиях 80-90 % от толщины слоя меди на проводниках при отношении толщины платы к диаметру отверстия 2: 1; хорошую эластичность меди при отсутствии органических примесей и примесей фосфатов; возможность ведения процесса при непрерывной фильтрации через уголь из-за отсутствия органических добавок.

В то же время указанный электролит обладает рядом недостатков.

1. Накопление фосфатов вследствие гидролиза пирофосфата. Накопление фосфатов обусловливает включение фосфора в осадок меди, доходящее до 0,5 % по массе. Фосфор в меди приводит к затруднениям при пайке и хрупкости осадка,

2. Охлаждение электролита влечет за собой кристаллизацию солей на анодах и стенках ванны и возникновение при работе так называемой солевой пассивности анодов.

3. Малая скорость осаждения меди вследствие низких плотностей тока.

4. Большая чувствительность к примесям железа, свинца, хлора и органических продуктов.

5. Невозможность использования более перспективных фоторезистов водощелочного проявления (СПФ-В1Л).

Из числа электролитов, в которых медь из находится в виде комплексного соединения, заслуживает внимания оксалатный электролит, обеспечивающий очень высокую рассеивающую способность и мелкозернистую структуру электролитического осадка, следующего состава (г/л) и режима работы;

Сернокислая медь 25

Щавелевокислый аммоний 50

Щавелевая кислота 10

рН 3.5-4,5

Катодная плотность тока А/дм2 1,0-2,1

Фторборатный электролит. Состав фторборатных электролитов приведен е табл. 20.

Таблица 20. Состав фторборатных электролитов.

Преимуществом фторборатного электролита по сравнению с другими электролитами является наиболее высокая скорость осаждения меди вследствие применения повышенных плотностей тока, недостатки электролита - низкая рассеивающая способность (толщина покрытия в отверстиях при тех же условиях составляет 40 - 50% от толщины меди на проводниках) и неэластичность осадков меди (относительное удлинение - 2-3%). Хрупкость меди резко возрастает при попадании органических примесей и особенно продуктов выщелачивания пленочных фоторезистов.

Фторборат меди готовится в ванне посредством растворения основной углекислой соли меди в борфтористоводородной кислой по реакции

Расчетное количество основной углекислой меди засыпается а ванну и в нее небольшими порциями вливается борфтористо-водородная кислота до прекращения выделения углекислого газа. В полученный раствор вводится оставшаяся бор фтористоводородная кислота и приготовленный в отдельном порции раствор борной кислоты.

Электролит после отстаивания декантируется в рабочую ванну и доливается до уровня дистиллированной водой.

Кремнефторидный электролит. Кислота поставляется химической промышленностью по ТУ 6-09-2774-73 и является более дешевым продуктом, чем борфтористоводородная кислота. Электролит состоит из 10-15 г/л крем нефтористоводородной кислоты и 250-300 г/л кремнефторида меди. Температура электролита 18-25°С, катодная плотность тока 5 .

Кремнефторидный электролит меднения по своим свойствам, преимуществам и недостаткам аналогичен фторборатному электролиту.

Сульфатный электролит. Эти электролиты наиболее просты в приготовлении и эксплуатации. Однако стандартный электролит, содержащий сернокислую медь (200-250 г/л) и серную кислоту (50-75 г/л), не получил распространения из-за плохой рассеивающей способности и малой производительности, так как осаждение меди происходит при плотности тока менее 2 . Введение в состав электролитов разработанной Ленинградским Технологическим и институтом блескообразующей добавки "ЛТИ", позволило значительно улучшить характеристики сульфатных электролитов, что послужило основанием для широкого распространения их в промышленности. Аналогичные по составу электролиты с фирменными добавками "Купрацид", "Новостар", "Кубас-1" и др., а также электролиты с добавкой "Меданитз, или Б-72П заслужили хорошую репутацию у изготовителей печатных плат, так как они обеспечивают очень равномерное распределение меди на плате. Состав сульфатных _ электролитов приведен в табл.21.

Электролит 1 рекомендуется для металлизации печатных плат, имеющих отношение толщины платы к диаметру металлизируемых отверстий 2,5 и менее. Электролит характеризуется малой агрессивностью к фоторезистам, обеспечивает хорошую эластичность меди и мелкозернистую структуру. Пониженная плотность тока обусловливает его более низкую производительность по сравнению с другими электролитами. Электролит рекомендован ГОСТ 23770-79.

Электролит 2 обеспечивает более высокую производительность по сравнению с электролитом 1 и хорошую рассеивающую способность. Осадки меди блестящие, гладкие и весьма эластичные. Электролит также рекомендуется для металлизации плат, имеющих отношение толщины плат к диаметру отверстий 2,5 и менее. Добавка "ЛТИ" поставляется по ТУ АУЭО.028.010.

Электролит 3 характеризуется более высоким содержанием серной кислоты при уменьшенной концентрации сернокислой меди. Это обстоятельство при наличии высокоэффективной добавки ПАВ обусловливает наиболее высокую рассеивающую способность среди кислых электролитов, которая приближается к рассеивающей способности пирофосфатных электролитов. Осадки меди гладкие, полублестящие.

Электролит 4, в состав которого введена блескообразующая добавка "Меданит", для использования ее в процессах декоративной металлизации пластмасс при получении блестящих осадков меди обладает высокой производительностью и обеспечивает получение очень гладких медных покрытий с достаточно хорошей рассеивающей способностью.

Сравнительная оценка свойств некоторых электролитов по способности улучшать равномерность распределения металла по толщине как в отверстиях, так и на проводниках при гальваническом меднении плот представлена в табл.22, где приняты следующие обозначения: - толщина платы, мм; d - диаметр отверстия, мм; - толщина слоя меди в отверстиях, мкм; - толщина слоя меди на проводнике, мкм.

Таблица 21. Состав и режим работы сульфатных электролитов.

Таблица 22. Характер распределения меди на печатной плате.

Повышенная рассеивающая способность электролита с добавкой "ЛТИ" (электролит 3) имеет очень важное значение для производства, так как применение этого электролита позволяет уменьшить продолжительность процесса меднения на 50-60 % и соответственно сократить расход меди. При использовании фторборатных или кремнефторидных электролитов, обладающих низкой рассеивающей способностью, на проводниках и особенно на удаленных, осаждается весьма толстый (70-100 мм) слой меди с неровной поверхностью, что препятствует получению качественной влагозащиты при лакировке блоков на печатном монтаже из-за стекания лака с шишковатых наростов меди на кромках проводников.

Чрезвычайно важное значение имеет эластичность осаждаемого слой меди, так как в условиях эксплуатации платы подвергаются значительному нагреву и происходит тепловое расширение материала, из которого изготовлена плата, и слоя меди. Коэффициент линейного расширения эпоксидной смолы почти в 5 раз больше коэффициента линейного расширения меди, поэтому в результате термоударов в слое меди, осажденном на стенках отверстий, возникают значительные напряжения и, если медь недостаточно эластична, происходит ее разрыв, а разрыв меди в переходном отверстии приводит к выходу из строя всего блока.

Расчеты показывают, что на многослойной плате толщиной 2 мм удлинение по оси z при пайке на волне припоя при температуре t=250°С составляет: для диэлектрика - 0,048 мм; для меди - 0,009 мм. В этом случае слой должен "вытянуться" почти на 40 мкм и, если относительное удлинение меди менее 3 %, неизбежен ее разрыв.

Учитывая вышеизложенное, необходимо обращать большое внимание на эластичность осаждаемой меди, которая с учетом ужесточенных эксплуатационных требований к печатным платам, должна составлять по величине относительного удлинения не менее 6 %. Испытаниями качества медных осадков, полученных из различных электролитов, установлено, что в свежих электролитах величина относительного удлинения меди составляет: для электролита 3 - 9 - 11 %, для электролита 4 - 3-4% и для фторборатного электролита - 3-5,5 %.

В результате накопления в электролитах органических примесей, вследствие агрессивного воздействия электролитов на фоторезисты, краски и диэлектрические материалы платы эластичность меди значительно снижается, причем в фторборатных электролитах, как более агрессивных, это явление происходит быстрее. Попадание в электролиты органических примесей обусловливает не только снижение эластичности меди, но ухудшение электропроводности. Так, чистая медь имеет удельное электрическое сопротивление 0,020 Ом?мм, а для меди, осажденной в электролитах 2-4, эта величина составляет - 0,026 Ом?мм и по мере накопления органических примесей она возрастает на 25-30 %.

Сопоставляя свойства меди, осажденной из различных электролитов, а также оценивая свойства электролитов, легко сделать вывод о том, что сульфатный электролит меднения (электролит 3), содержащий выравнивающую (блескообразуюшую) добавку "ЛТИ", наиболее перспективен, так как он обеспечивает получение эластичных осадков меди с высокой равномерностью и скоростью осаждении. Компоненты электролита доступны и дешевы. Электролит весьма удобен в эксплуатации, так как он не требует нагрева, легко приготавливается и корректируется. Аноды хорошо растворяются и этим поддерживается стабильная концентрация солей меди в электролите. В качестве анодов для данного электролита рекомендованы медно-фосфористые аноды марки АМФ, содержащие до 0,06 % фосфора. Такие аноды растворяются более равномерно, без шламообразования. Приготовление и корректирование сульфатного электролита с добавкой "ЛТИ" производится следующим образом. Ванны заполняются дистиллирован ной водой на 1/2 или 2/3 объема. В воду, осторожно, при непрерывном помешивании, вводится серная кислота, раствор при этом нагревается до температуры 50-60 єС. В горячий раствор вводится медный купорос и при непрерывном помешивании и подогреве он полностью растворяется. Затем ванна доливается до уровня дистиллированной или деионизованной водой. Для обеспечения достаточной чистоты приготавливаемого электролита в полученный раствор вводится активированный уголь из расчета 2-3 г/л, смеси хорошо перемешивается и через 30-60 мин фильтруется в рабочую ванну.

Перед введением добавки "ЛТИ" раствор анализируется на содержание хлора и в зависимости от концентрации хлор-иона в раствор добавляется хлористый натрий, а если хлоридов оказалось выше нормы (0,06 г/л), излишек осаждается водной суспензией сернокислого серебра. В последнюю очередь вводится блескообразующая (выравнивающая) добавка "ЛТИ". После приготовления электролита фильтры насоса должны, быть тщательно очищены от частиц угля, так как на присутствие в порах фильтра даже в небольших количествах повлечет за собой потерю добавки "ЛТИ" вследствие ее адсорбции активированным углем.

В состав добавки "ЛТИ" входят основной продукт (50 г), смачиватель ОС-20 (100 г), вода (400 г). Корректирование электролита осуществляется выделением компонентов. Основные компоненты электролита - медь сернокислая, кислота серная и хлориды - добавляются в электролит на основании данных химического анализа, который производится не менее 2 раз в месяц при интенсивной работе ванны. Корректирование по органическим добавкам выполняется после прохождения через ванну определенного количества электричества. Так, после прохождения 18 кКл/л электричества вводится продукт ОС-20 в количестве 1 мл/л в виде заранее приготовленного раствора, содержащего 100 г/л этого продукта. После прохождения 72 кКл/л вводится 1мл/л раствора основного компонента добавки "ЛТИ". Накопление органических примесей приводит к образованию блестящих полос и хрупкости медного покрытия, что выражается в резком снижении величины относительного удлинения z.

При снижении величины до значений менее 6 % необходимо освободить электролит от органических примесей введением в электролит активированного угля БАУ в количестве 10 г/л. После тщательного перемешивания и выдержки не менее 7 ч электролит фильтруется и в него вводится добавка "ЛТИ" в количестве, соответствующем рецептурному.

Основные неполадки, встречающиеся при эксплуатации кислых электролитов, и возможные причины их появления представлены в табл.23.

Таблица 23. Основные неполадки при меднении в кислых электролитах.

Определение эластичности медных осадков производят следующим образом. На пластинку из коррозионно стойкой стали методом фотопечати наносят защитный рисунок таким образом, чтобы последующим гальваническим меднением открытых участков поверхности можно было получить образец для разрыва, форма и размеры которого показаны на рис.16.

Пластинку с нанесенный на ее поверхность рисунком следует обезжирить венской известью, промыть водой, активировать в 10% -ном растворе НСl, промыть водой и вторично активировать в10% -ном растворе . После тщательной промывки пластинка завешивается в ванну меднения вместе с платами и покрывается по режимам, принятым для плат. Пластинку с осажденной медью высушить сжатым воздухом и снять медь с помощью скальпеля. Толщина медного образца должна составлять 30-40 мкм. На образец с помощью тонкой иглы без нажима наносятся риски, ограничивающие базу длиной мм.

Измерение базы до и после испытании на разрыв следует производить с точностью ±0,01 Мм на универсальном измерительном микроскопе УММ. Разрыв образцов рекомендуется производить на разрывной машине типа МР-05-1 при нагрузке до 10Н. После разрыва обе половинки образца прижать к стеклу и по средней линии измерить расстояние от линии разрыва до рисок. Сумма двух измерений составит величину . Относительное удлинение рассчитать по формуле:

.

Рис.16. Образец для разрыва медного покрытия.

Для получения более достоверных результатов производят несколько испытаний и величину определяют как среднеарифметическую. При проведении испытаний следует иметь в виду, что в свежеосажденном слое меди имеются внутренние напряжении и медь обладает малой эластичностью; через двое суток в результате рекристаллизации внутренние напряжения исчезают и устанавливается стабильное значение .

Перемешивание электролита барботированием сжатым воздухом или механическими мешалками не достигает эффекта, так как в зону отверстий диаметром 0,6-0,8 мм не обеспечивается подача свежего электролита и в результате этого осаждение меди на стенки отверстий происходит из сильно истощенного электролита в условиях предельного тока. Лучшие результаты достигаются в том случае, когда платы, жестко закрепленные на катодной штанге, совершают в электролите возвратно-поступательные движения, что обеспечивает хороший обмен электролита в отверстиях.

Хороший контакт платы с подвесочным приспособлением и подвесочного приспособления с катодной штангой необходим для того, чтобы на всех платах осаждалось равное количество меди. При отсутствии контакта может произойти полное или частичное растворение меди, осевшей в начальный период электролиза. Это явление, называемое биполярным эффектом, происходит из-за того, что медненая поверхность платы, не будучи поляризована катодно, становится анодом по отношению к соседний платам, имеющим хороший контакт с катодной штангой. Для обеспечения хорошего жесткого контакта всех плат с подвесочными приспособлениями необходимо, чтобы платы присоединялись с помощью резьбового соединения или пружинящего контакта.

Длина подвесочного приспособления должна выбираться таким образом, чтобы самая нижняя плата была на уровне и даже несколько выше нижней кромки анодов, в противном случае происходит значительная концентрация тока на нижних платах и в результате образуется "подгорелый" слой меди.

При загрузке ванн платами их следует компоновать таким образом, чтобы стороны, обращенные к каждой анодной штанге, имели бы приблизительно одинаковую поверхность, подлежащую меднению. Это обеспечивает получение более равномерных по толщине покрытий на обеих сторонах платы.

3.4.2 Защитное покрытие сплавом олово-свинец (ПОС-60)

Защитные покрытия проводящего рисунка на платах должны выполнять в основном две функции: защиту проводников при вытравливании меди, т.е. роль металлорезиста, и пайку выводов радиоэлементов

В качестве металлорезиста могут быть использованы различные сплавы олова, серебро, золото, однако при пайке на волне расплавленного припоя хорошую растекаемость припоя с применением канифольных флюсов обеспечивает только сплав олово-свинец, соответствующий эвтектическому сплаву ПОС-60.

Другие сплавы олова и чистое олово для покрытия печатных плат непригодны не только из-за быстрой потери способности к пайке на волне припоя, но и вследствие склонности покрытий к иглообразованию после длительного хранении и практической невозможности их оплавления.

Особую ненадежность плат при длительном хранении в монтажно-сборочных операциях создает введенное в практику некоторых предприятий покрытие олово-кобальт и олово-висмут с содержанием легирующий присадок в количестве 0,005-0,05 %. В условиях серийного производства эти присадки исчезают из покрытия и на проводниках получается по существу покрытие из чистого олова, которое, как хорошо известно, быстро теряет способность к пайке, подвержено разрушению при низких температурах и росту очень прочных, пронизывающих любые материалы игольчатых кристаллов ("вискеры", "усы"). Даже при наличии указанных присадок на отдельных предприятиях, применивших покрытия олово-кобальт и олово-висмут, имели место случаи иглообразования, а плохая способность к пайке вынудила предприятие применить дополнительное лужение сплавом Розе, что ведет к чрезвычайно нерациональному расходу олова и других ценных металлов (висмут). Серебро, применившееся для этой же цели на отдельных предприятиях, в настоящее время исключено из производственной практики как драгоценный металл и как металл, способный к миграции в диэлектрик, что приводит к снижению электроизоляционных свойств печатных плат.

Олово легко образует электролитические сплавы со свинцом, в которых соотношение олова и свинца зависит от состава электролита и режимов электроосаждения.

Концентрация солей олова и свинца в электролите определяет и соотношение металлов в осадке, однако при одном и том же составе электролита имеет место значительный разброс в составе сплава в зависимости от содержания поверхностно-активных веществ. Так, например, при снижении содержания олова в сплаве в электролит добавляют столярный клей, вследствие чего возрастает содержание олова. Это явление обусловлено тем, что некоторые поверхностно-активные вещества, увеличивая катодную поляризацию более электроположительного металла, т.е. свинца, снижают скорость его осаждения по сравнению с осаждением олова, в результате чего увеличивается содержание олова в сплаве. Это имеет большое значение при нанесении покрытия на печатные платы, так как условия осаждения сплава олово-свинец в отверстии и на проводнике значительно отличаются. Вследствие большого различия в плотности тока сплав олово-свинец на проводнике более богат оловом, чем сплав в отверстии. В результате этого смачиваемость припоем стенок отверстий и контактных площадок различна, что отрицательно влияет на качество пайки, осуществляемой на волне припоя. С целью обеспечения хорошей растекаемости припоя следует применять также электролиты, которые позволяют получать одинаковый по составу сплав в большом диапазоне рабочей плотности тока. Стабильный по всей плате состав сплава необходим также и для того, чтобы обеспечить качественное выполнение операции оплавления.

В производстве печатных плат получили распространение фторборатные электролиты, обеспечивающие осаждение сплава, содержащего 60 % олова. Состав приведен в табл.24.

Таблица 24. Электролиты для получения олово-свинцового покрытия.

Скорость осаждения сплава при плотности тока 2 А/дм² - 1 мкм/мин.

Электролит 1 (ГОСТ 23770-79) широко применяется в гальванотехнике для покрытия металлических деталей. Неоднородность состава сплава на отдельных участках-печатных плат колеблется в пределах 40-60 % по олову, поэтому сплав плохо оплавляется и при монтажно-сборочных операциях возникает необходимость горячего облуживания плат припоем ПОС-60.

Электролит 2 рекомендован отраслевой нормативно-технической документацией для покрытия печатных штат. Значительное увеличение содержания борфтористоводородной кислоты по отношению к солям олова и свинца обеспечивает достаточно однородный состав сплава при различных плотностях тока в пределах 0,5-2,0 А/дм. Однако повышенное содержание HBF4 обусловливает более агрессивное воздействие электролита на фоторезисты, а фоторезист на основе поливинилового спирта слабо устойчив в нем, что приводит к так называемым пробоям в процессе нанесения гальванического покрытия. Корректирование электролита по основным компонентам производится по данным химического анализа не реже двух раз в месяц.; корректирование электролита по добавочным компонентам (пептон, клен и др.) - па основе данных табл.24, определяющей причины тех или иных неполадок, связанных с присутствием ПАВ.

По мере накопления органических примесей производится периодическая очистка электролита от них посредством обработки активированным углем с последующей фильтрацией. В результате подобной обработки теряются органические добавки, введенные в электролит при его приготовлении, поэтому необходимо эти добавки вводить в полном объеме в соответствии с заданным составом (табл.25).

Таблица25. основные неполадки при покрытии сплавом олово-свинец.

С целью замены дорогостоящей борфтористоводородной кислоты на более дешевый материал на ряде предприятий применяют кремие-фторидные электролиты, полученные на основе кремнефтористо-водородной кислоты , являющейся отходом производства фосфорнокислых удобрений и поэтому более дешевой и доступной.

Состав электролита (г/л)

Кремнефторид свинца 17-25

Кремнефторид олова 50-80

Кремнефтористая кислота (свободная) 40-60

-нафтол 0,2

Тиомочевина 12-13

Желатина 2

Температура электролита - 18-25°С, катодная плотность тока для получения сплава, содержащего 60 % олова, должна составлять 1,3-1,5 . При отклонениях плотности тока от этих значений состав сплава изменяется в соответствии с законами электрохимии.

Для электроосаждения сплава олово-свинец с содержанием олова 6О±5 % был разработан электролит следующего состава (г/л):

Олово (в пересчете на металл) 35-40

Свинец (в пересчете на металл) 20-25

Пирофосфат калия, свободный 130-250

Солянокислый гидразин 8-12

Добавка ДДДМ 1,0

Гидролизованный клей 1,5

Величина рН 8,3-8.9 температура электролита 18-28єС, катодная плотность тока 2-4 .

Добавка ДДДМ представляет собой соединение: 4,4-диамино 3,3 - диметоксидифенилметан и в сочетании с клеем обуславливает постоянство содержания олова в сплаве в рабочем интервале плотностей тока. Основным преимуществом пирофосфатного электролита является его меньшая агрессивность по отношению к фоторезисту, чем у фторборатного электролита, поэтому в нем меньше накапливается продуктов разложения, которые включаясь в покрытие, ухудшают его качество.

Для обеспечения постоянства состава сплава, а также стабильности его физико-химических свойств необходимо руководствоваться следующими рекомендациями:

1. Перемешивание электролита осуществляют медленным покачиванием плат а процессе электролиза (период качания 1-2 с) Более интенсивное покачивание вызывает снижение катодной поляризации свинца и его увеличение в составе сплава.

2. Во избежание заноса в электролит сульфат-иона перед нанесением покрытия операцию активирования проводят в 10 %-ном растворе борфтористоводородной кислоты и без промывки переносят платы в ванну для покрытия сплавом.

3. Аноды из сплава олово - свинец с 60 % -ным содержанием олова и

40 %-ным - свинца применяют в виде металла, поставляемого по ТУ 48-13-20-77. В том случае, если они готовятся на месте сплавлением свинца и олова, следует следить за тем. чтобы в этих металлах примеси меди, висмута, сурьмы, мышьяка и железа не превышали 0,003 % от каждого вида примесей.

4. С целью исключения возможности накопления меди в электролите необходимо не допускать падения плат на дно ванны и не поднимать уровень электролита в ванне выше крючков, на которых висят аноды.

Удаление сплава олово-свинец с разъемов печатных плат производят химическим растворением покрытия в одном из следующих растворов: раствор 1 - борфтористоводородная кислота (330 мл), пергидроль (70 мл), вода (до 1 л). Температура раствора 18-25°С. Продолжительность обработки 3-5 мин; раствор 2 - азотная кислота (400-500 мл/л), фторборатная медь (5-10 г/л), препарат ОС-20 (2-5 г/л). Температура раствора 18-25°С, скорость растворения 3-4 мкм/мин.

3.4.3 Покрытия разъемов печатных плат

Разъемы печатных плат, или конечные контакты, служат для электрического соединения блоков на печатных платах между собой с помощью соединительных колодок.

Для обеспечения хорошего электрического соединения между пружинками колодки и проводниковыми полосками разъема необходимо покрытие, обладающее малым переходным сопротивлением, хорошей износоустойчивостью и отсутствием каких-либо пленок, ухудшающих контактные свойства.

Золото. Всем требованиям, предъявляемым к контактным покрытиям, в наибольшей степени удовлетворяет покрытие из сплава золото-никель или золото-кобальт с содержанием легирующего элемента до 0,6% (твердое золото). Толщина слоя золота - 2,5 мкм. Другие металлы, как показано ниже, уступают этому покрытию по различным причинам.

Палладий. Обладает хорошей износостойкостью и более низкой стоимостью, однако на его поверхности вследствие каталитических свойств палладия со временем образуются полимерные пленки из органических продуктов, находящихся в воздухе. Из-за образования пленок нарушается контакт. Для покрытия разъемов палладий можно применять в условиях хорошо вентилируемой аппаратуры. Толщина слоя палладия 2,5-6 мкм.

Родий. Имеет наибольшую износоустойчивость и твердость, но естественные окисные пленки и склонность к образованию полимерных пленок ухудшают его контактные свойства. Родий является самим дорогим из группы драгоценных металлов и с учетом всех его свойств рекомендуется для покрытия контактов переключателей и кодовых дисков, рассчитанных на миллионы переключений при высоких контактных давлениях. Толщина слоя родия определяется требованиями к условиям контактирования.

Серебро. Это наиболее дешевый из металлов, применяемых для контактов, обладает самой высокой электропроводностью, однако быстро темнеет в результате воздействия серосодержащих продуктов, обладает плохой износостойкостью и легко корродирует. Серебряное покрытие рекомендуется для малоответственных систем, когда контактная пара эксплуатируется в легких условиях при отсутствии сернистых соединений в воздухе. Толщина слоя серебра 6-15 мкм.

Никель. Применяется в качестве подслоя перед золочением с целью повышения износоустойчивости слоя золота за счет повышения твердости подложки. Подслой никеля улучшает также коррозионную устойчивость покрытия, исключая возможность окисления меди через поры золотого покрытия. Кроме того, подслой никеля препятствует диффузии меди в золотое покрытие и обеспечивает этим постоянство величины переходного сопротивления в процессе длительной эксплуатации и хранения золоченых контактов. Толщина никелевого подслоя 6-0 мкм.

Состав (г/л) и режим работы электролита золочения следующие:

Дицианаурат калия (а пересчете на золото) 8-10

Лимонная кислота 30-40

Лимоннокислый калий трехзамещенный 30-40

Сернокислый никель или кобальт 1-2

Температура,єС 35-45

Катодная плотность тока, А/дм² 0,4-0,7

Выход по току, % 95-98

Аноды изготовлены из платинированного титана. Электролит периодически продувается азотом для вытеснения растворенного кислорода, который восстанавливаясь на катоде, снижает выход по току. Скорость осаждения золота I мкм за 7 мин. В течение первых 5-10 с работы рекомендуется плотность тока 1-1,5 А/дм². Состав и режим работы электролитов серебрения представлены ниже.

Электролит 1 и 2 идентичны по составу и отличаются способами приготовления. В электролите 1 дицианаргентат (в малых количествах) образуется при реакции взаимодействия солей серебра с железистосинеродным калием. В электролите 2 дицианаргентат применяется в виде готового продукта, поставляемого по ТУ 609-451-70.

Состав (г/л) и режим работы электролита палладирования следующие:

Хлористый палладий 18-25

Хлористый аммоний 15-20

Аммиак водный, 25 % -ный, мл/л 2-5

Малеиновый ангидрид 0,15

Температура,°С 18-25

Катодная плотность тока, А/дм² 0.8-1,0

рН 8.5-9,5

Скорость осаждения равна 1 мкм за 4 мин при . Аноды нерастворимые: платинированный титан, палладий. Последний частично растворяется и расход палладиевых анодов (до 10%) необходимо учитывать в нормативах на соль палладия.

Химические покрытия. Химические (бестоковые) покрытия применяют в тех случаях, когда на проводящий рисунок очень трудно наносить гальванические покрытия вследствие того, что проводники разрознены и не замкнуты в одну электрическую цепь.

Подобная проблема возникает, например, при изготовлении плат по аддитивному методу, когда проводники получаются химическим осаждением меди и гальванические операции исключаются из технологического процесса.

В качестве бестокового покрытия получил применение процесс химического оловянирования и осаждение слоя олова, легированного кадмием.

Процессы осаждения чистого олова осуществляются погружением печатных плат в раствор состава (г/л):

Хлористое олово 10-20

Тиомочевина 80-90

Соляная кислота (у= 1190 кг/м³), мл/л 15 - 17

Хлористый натрий 75-90

Температура раствора 55-56°С, продолжительность операции 25-30 мин, толщина осаждаемого слоя олова до 2,5 мкм.

Процесс осаждения олова, легированного кадмием, происходит в растворе следующего состава (г/л);

Хлористой олово 8

Хлористый кадмий 6

Серная кислота 40

Тиомочевина 45

Температура раствора 18-25°С, продолжительность операции 20-30 мин, толщина слоя покрытия составляет 2-3 мкм.

В обоих случаях растворы служат для покрытия 50 мм² поверхности в 1л раствора, после чего заменяются свежими. В отработанных растворах оставшееся неизрасходованное олово осаждается щелочью в виде гидроокисей и после отмывки его можно повторно использовать для приготовления свежих порций раствора.

Химически осажденные покрытия оловом и сплавом олово-кадмий обеспечивают хорошее растекание припоя при пайке радиоэлементов на волне припоя, сохраняют эту способность значительно дольше, чем гальванически осажденное олово и на таких тонких покрытиях еще не было замечено случаев образования нитевидных кристаллов ("усов") при длительном хранении.

3.4.4 Осветление и оплавление покрытия олово-свинец

Осветление покрытия. В результате применения щелочных растворов травления оловянно-свинцовое покрытие частично растворяется в этих растворах и образующиеся продукты растворения в виде темного шлама обволакивают поверхность покрытия и препятствуют выполнению последующих операций (оплавление или пайка выводов электрорадиоэлементов). Для удаления травильного шлама с поверхности покрытия платы погружают в так называемый осветляющий раствор состава: тиомочевина - 80-85 г/л; соляная кислота (1, 19) - 50-60 мл/л; этиловый спирт или синтанол ДС-10 - 5-6 мл/л: продукт ОС-20-8-10 мл/л. Температура раствора 18 - 25 єC, продолжительность обработки 1-1,5 мин.

Раствор приготовляют следующим образом. Ванну (1/5 объема) заполняют водой и вливают в нее соляную кислоту. Затем отдельно растворяют тиомочевину и вливают полученный раствор в ванну.

К смеси приливают спирт и продукт ОС-20, после чего доливают ванну водой до уровня. С целью снижения стоимости расходуемых материалов можно применять технические продукты: тиомочевину по ТУ 6-09-4041-75; этиловый спирт.

Операцию осветления можно проводить в растворах, отличающихся по составу от вышеприведенного. Так, например, фторборатный раствор состава: борфтористоводородная кислота - 100 мл, тиомочевнна-100 г, смачиватель ОП-7-10мл, вода - до 1 л осветляет покрытие при температуре 50 - 60°С в течение 1-2 мин.

Оплавление покрытия. Гальваническое покрытие олово-свинец типа ПОС-60 представляет собой эвтектический сплав, температура плавления которого 183°С. Покрытие поэтому легко расплавляется и в жидком виде стекает с поверхности проводников на их боковые стенки, как показано на рис.10. Оплавление покрытия - несложная операция, но она обеспечивает получение ряда преимуществ, поэтому применяется в производстве более ответственных по назначению плат. Оплавление покрытия преследует следующие цели: превратить губчатую и склонную к коррозии поверхность в гладкую блестящую; защитить боковые стенки проводников от коррозии и электрокоррозии в случае, если два соседних проводника в условиях эксплуатации разнополярны; улучшить способность к пайке после длительного (более 1 г) хранения, устранить "навесы" металла по кромкам проводников; исключить возможность роста нитевидных кристаллов ("усов") в условиях длительного хранения, и эксплуатации; снизить на 15-20°С температуру расплавленного припоя при пайке на волне; исключить из технологического процесса операцию горячего облуживания, контролировать качество проводящего рисунка, так как операция оплавления является достаточно жестким испытанием для плат.

Оплавление осуществляют погружением в жидкий теплоноситель или воздействием инфракрасного излучения. В первом случае в качестве теплоносителя применяют жидкости, обладающие устойчивостью при температурах 220-240°С, и негорючие - при этих же условиях. Такими жидкостями являются: Лапрол (ТУ 6-05-1679-74), масло ТП-22 (ТУ 38-1013 60-73), олигоэфир ОЖ-1 (ТУ 6-05-221-489-81). Оплавление обычно производят погружением на 15 с в нагретый до 23010°С теплоноситель. Наиболее эффективным является оплавление на волне теплоносителя ОЖ-1 в автоматической установке, аналогичной установке для пайки на волне припоя, в которой контакт платы с жидкостью длится не более 5 с при температуре жидкости 220-230°С. После оплавления покрытия жидкость ОЖ-1 смывается горячей водой. В случае использования масла ТП-22 отмывка его производится трихлорэтиленом.

Рис.17. Защитное покрытие олово-свинец до (а) и после (6) оплавления: / - печатный проводник; 2 - покрытие олово-свинец

Операцию отмывки лучше всего производить в установках, где струйная промывка сочетается с механическим воздействием вращающихся щеток. В последней секции отмывочного агрегата устанавливаются валки, которые отжимают воду с поверхности плат.

Сушка плат может осуществляться с помощью ТЭНов или керамических нагретых панелей, которые испаряют влагу за счет инфракрасного излучения во время перемещения платы по конвейеру между нагретыми поверхностями.

Оплавлению в инфракрасных лучах предшествует флюсование в спиртоканифольном флюсе или в растворе состава (масс, доли, %): олеиновая кислота - 20; этиловый спирт - 35; продукт ОС-20-45. Вязкость флюса по ВЗ-4 равна 12-15 с.

Раствор приготавливают посредством смешивания олеиновой кислоты со спиртом и затем в нагретую до 45 - 55°С смесь вводят при помешивании продукт ОС-20. Флюс наносят окунанием и подсушивают на воздухе в течение 3-5 мин. Продукт ОС-20 по истечении нескольких дней употребления флюса выпадает в осадок, поэтому периодически флюс необходимо прогревать для растворения этого продукта.

В установках для оплавления в инфракрасном излучении скорость конвейера меняется для того, чтобы продолжительность облучения увеличивалась по мере увеличения толщины платы. Так, для плат толщиной 1 мм скорость конвейера 1,2-1,3 м/мин, а для плат толщиной 2 мм скорость конвейера 1,0-1,1 м/мин.

Для защиты плат от коробления применяют рамки из текстолита, в которые вставляются платы перед укладкой их на конвейер. После оплавления флюсы смываются: спирто-канифольный - в спирто-бензиновой смеси; олеиновый - в теплой воде (50-55°С) в течение 5-10 мин. Качество отмывки водорастворимых флюсов и жидких теплоносителей можно значительно повысить, используя ультразвуковые установки.

Следует обратить внимание на то, что толщина оловянно-свинцового покрытия на платах должна быть минимальной (не более 15 мкм), в противном случае происходят большие наплывы металла в отверстиях, каплеобразование и другие дефекты.