Способ изготовления двусторонних печатных плат из стеклотекстолита

 

Использование: в радиотехнике, в частности в процессах изготовления печатных плат со сквозными отверстиями и двусторонней металлизацией для радиотехнических и электронных устройств. Сущность изобретения: способ включает сверление отверстий в нефольгированной подложке стеклотекстолита. Подготовку подложек к металлизации в кислотном растворе, содержащем оксид шестивалентного хрома в течение 1 5 мин при 20 60°С. Затем наносят адгезионный подслой и подслой меди толщиной 0,2 0,5 мкм в едином вакуумном цикле термическим или магнетронным испарением соответствующего металла. Последующее формирование маски, обратной рисунку схемы, проводят на медном подслое с обеих сторон методом сухой офсетной печати с использованием щелочесмываемой типографской краски. Затем проводят наращивание меди по токопроводящему рисунку гальваническим методом, удаление защитного покрытия, травление пробедьных участков и консервацию поверхности печатной платы.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к изготовлению печатных плат (ПП) радиотехнических и электронных устройств, и может быть использовано для изготовления печатных плат как с односторонней, так и с двухсторонней металлизацией.

Известные в настоящее время способы получения двухсторонних ПП со сквозными отверстиями из нефольгированных диэлектриков заключаются, в основном в сенсибилизации и активации поверхности диэлектрика, включая отверстия, с использованием драгоценных металлов (Pd) (например, Патент ЕПВ N 0328944, 1989).

Недостатками подобных методов являются высокая стоимость изделий за счет использования активаторов из драгметаллов, длительность обработки, большое число операций.

В связи с вышеизложенным неоднократно предпринимались попытки заменить Рd на более дешевые металлы. Так, известен способ осаждения на поверхность и стенки отверстий плат токопроводящей пленки, полученной в результате термолиза комплексной соли гипофосфита меди [1] Недостатками этого метода являются непрокрытие отверстий и поверхности диэлектрика, трудность удаления продуктов термолиза из отверстий, а также недостаточно высокая адгезия химически осажденных слоев меди к поверхности платы.

Увеличение адгезии может достигаться путем нанесения на поверхность пластины, включая отверстия, адгезионного подслоя некоторых металлов. Так, известен способ изготовления двухсторонних ПП (Патент ФРГ N 3800682, 1989), заключающийся в нанесении на поверхность пластин и отверстий (после их предварительной механической обработки, активации и сенсибилизации) химическим методом адгезионного подслоя никеля, кобальта, марганца или смеси Ni/Fe/Ni/Co толщиной 0,05-2,0 мкм с последующей металлизацией и травлением для формирования рисунка.

Недостатками данного способа являются высокая стоимость изделий, вызванная использованием драгметаллов, а также большое число операций по химической обработке, что приводит к значительному количеству отходов, требующих утилизации.

С целью сокращения количества отходов было предложено использовать чистые и безотходные вакуумные методы металлизации и формирования токопроводящего рисунка (например, Патент США N 4622106, 1986), однако это не решило проблемы адгезии медного слоя к диэлектрической подложке.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ изготовления ПП со сквозными отверстиями [1] включающий следующие операции: механическую обработку заготовок (резку, сверление отверстий, механическую очистку) из стеклотекстолита; химическую обработку подложек в кислотном растворе; вакуумное осаждение адгезионного подслоя никеля, получающегося разложением тетракарбонила никеля при температуре подложки 130-180^оС; формирование проводящего медного слоя вакуумным испарением меди. Остальные операции процесса стандартные.

Недостатками данного способа являются недостаточно высокая адгезия металлических слоев к диэлектрической подложке из стеклотекстолита, требующая дополнительной очистки заготовок в низкотемпературной плазме; использование растворов, содержащих плавиковую кислоту, что требует дорогостоящего оборудования со специальным покрытием.

В предлагаемом способе изготовления двухсторонних печатных плат со сквозными отверстиями, включающем формирование отверстий в диэлектрической подложке, подготовку поверхности подложки и отверстий перед металлизацией, предварительную металлизацию никелем (или хромом, или ванадием) из газовой фазы в вакууме, нанесение проводящего медного слоя и формирование рисунка схемы в проводящем и адгезионном слоях путем нанесения защитного покрытия в соответствии с рисунком схемы и последующего удаления металла с незащищенных участков, удаление защитного покрытия, гальваническое наращивание меди и нанесение консервирующего покрытия, подготовку поверхности перед металлизацией проводят в растворе при следующем соотношении компонентов: серная кислота 10-40 об. оксид хрома (VI) 400 г/л, вода остальное, в течение 1-5 мин при температуре 20-60^оС, адгезионный подслой никеля (или хрома, или ванадия) составляет 0,1-0,5 мкм, подслой вакуумно-осажденной меди составляет 0,2-0,5 мкм, причем наносится он в одном вакуумном цикле с адгезионным подслоем, формирование рисунка ведут методом офсетной печати с использованием химически стойкой краски, при этом проводящий медный слой наращивается на рабочих участках схемы, не закрытых предварительно нанесенной защитной маской, обратной рисунку схемы.

Существенным для предлагаемого способа является совмещение в нем процессов травления поверхностного слоя эпоксидного связующего с модифицированием стекловолокнистой основы материала оксидом хрома, что не известно из уровня техники.

В качестве травяще-модифицирующего агента был выбран оксид хрома (VI), обладающий, с одной стороны, высокой окислительной способностью, с другой, хорошей хемосорбцией на поверхности стекловолокна. Серная кислота в данном процессе выступает в качестве водопоглотительного агента. Процесс обработки проводят в растворе при соотношении компонентов: оксид хрома (VI) 400 г/л; cерная кислота 10-40 об. вода остальное, в течение 1-5 мин при температуре 20-60^оС.

При концентрации серной кислоты менее 10 об. происходит сильное растравливание поверхности окислителем (CrO₃) при недостаточном модифицировании, что ухудшает адгезионные характеристики; при концентрации более 40 об. происходит деструкция матрицы, что ухудшает ее физико-механические характеристики.

Поскольку скорость травления и модифицирования прямо пропорциональна концентрации оксида хрома (VI), целесообразно использовать его максимальную концентрацию, что в данных условиях составляет 400 г/л; это также увеличивает буферную емкость раствора, т.е. возможность обработки большей поверхности пластин в единице объема раствора.

Использование температур ниже 20^оС нецелесообразно вследствие замедления процесса, а при температуре выше 60^оС наблюдается заметное термическое разложение CrО₃ и вследствие этого потеря активности раствора.

Выбор времени обусловлен использованием той или иной температуры: при более высокой температуре требуется меньшее время для травления и модифицирования, и наоборот.

В качестве адгезионного подслоя выбраны металлический хром, никель и ванадий, обладающие высокой химической активностью и твердостью, что обеспечивает, во-первых, прочную химическую связь их как с модифицированной подложкой, так и с осаждаемым слоем меди, т.е. высокую адгезию металлического покрытия, а во-вторых, высокую когезию (внутреннюю прочность) токопроводящих элементов ПП.

Ввиду сравнительно низкой проводимости тонкого подслоя Cr(Ni,V) на него в едином вакуумном цикле наносят тонкий подслой хорошопроводящего металла меди, что облегчает проведение последующего гальванического меднения.

Использование вакуумных методов нанесения пленок (термическое и магнетронное распыление) было обусловлено тем, что по сравнению с химическими (электрохимическими) они являются чистыми и безотходными.

При толщине наносимого металлического хрома (никеля, ванадия) менее 0,1 мкм не обеспечивается сплошность адгезионного подслоя, а использование более толстых слоев (более 0,5 мкм), не приводя к увеличению эффекта, связано с излишним расходованием материала.

Толщина медного подслоя (0,2-0,5 мкм) определяется условиями хорошей проводимости двуслойной структуры Cr(Ni,V) Cu. Так, при меньшей толщине адгезионного подслоя наносят более толстый слой меди, и наоборот.

Получение обратной рисунку схемы (негативной) маски методом сухой офсетной печати на адгезионном и вакуумно-напыленном медном подслое с обеих сторон платы (в качестве краски для печати может быть использована, например, щелочесмываемая типографская краска типа СО-4-12-23) позволяет значительно снизить расход меди при гальванизации.

Известен способ получения рисунка схемы, включающий нанесение на подложку слоя светочувствительного материала, способного восстанавливать ионы благородного метала из раствора, экспонирование его через трафарет, активирование в растворе соли благородного металла с последующим усилением полученного изображения путем дополнительного осаждения металла (а.с. СССР N 645118, 1976). Однако данный метод получения рисунка с помощью негативной маски отличается высокой дороговизной и не может быть использован в широких масштабах.

Известен также способ изготовления микросхем (а. с. СССР N 1455399, 1985), заключающийся в следующем: механической обработке пластин-основ из диэлектрического материала, нанесении адгезионного подслоя хрома с последующим напылением сплошного слоя меди, формировании негативной маски, гальваническом наращивании меди и антикоррозионного покрытия никеля, удалении маски и напылении слоя меди и хрома.

Однако прямой перенос известной технологии получения микросхем на технологию получения печатных плат невозможен, так как на материалах, используемых в технологии получения микросхем, предложенным способом невозможно получать покрытия, обладающие необходимыми характеристиками, а использование подложек, применяемых для изготовления ПП, в известной технологии получения микросхем не позволяет добиться необходимой величины адгезии металлического слоя к поверхности подложки.

Таким образом, только предложенная совокупность признаков позволяет получить ПП с требуемыми характеристиками при достижении поставленной цели: исключение использования драгоценных металлов, сокращение количества операций по химической обработке, создание замкнутого технологического цикла с локальной очисткой или регенерацией рабочих растворов, металлизация в едином вакуумном цикле как поверхности, так и отверстий, увеличение адгезии меди к поверхности стеклотекстолита.

Способ осуществляется следующим образом.

Получают диэлектрические заготовки из стеклотекстолита (например, марок СТЭФ-2ЛК или СТЭК) резкой. Сверлят фиксирующие и монтажные отверстия. Травят и модифицируют заготовки. Процесс проводят в растворе с концентрацией серной кислоты 10-40 об. оксида хрома (VI) 400 г/л в течение 1-5 мин при температуре 20-60^оС. Промывают и сушат заготовки в токе сухого воздуха при температуре 20-60^оС. Наносят адгезионный подслой хрома (или никеля, или ванадия) толщиной 0,1-0,5 мкм и подслой меди толщиной 0,2-0,5 мкм магнетронным или термическим испарением соответствующих металлов в вакууме. Процесс проводят в едином вакуумном цикле.

Наносят маску, обратную рисунку схемы, методом сухой офсетной печати с обеих сторон платы с использованием химически стойкой щелочесмываемой типографской краски типа СО-4-12-23. Гальваническим методом наращивают медь (до 50 мкм) по рисунку схемы в любом используемом для таких целей электролите. Удаляют маску 5%-ным раствором NaOH при температуре 40±5^оС. Удаляют адгезионный и медный подслой с нерабочих участков схемы путем травления 10-20%-ным раствором соляной кислоты при температуре 20-60^оC. Наносят олово-свинцовое покрытие (консервирующее покрытие) на контактные площадки. Обрабатывают по контуру печатной платы (оплавлением). Промывают и сушат готовые изделия.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДВУСТОРОННИХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ИЗ СТЕКЛОТЕКСТОЛИТА, включающий формирование отверстий в диэлектрической подложке, подготовку поверхности подложки и отверстий перед металлизацией, предварительную металлизацию никелем, или хромом, или ванадием из газовой фазы в вакууме, вакуумное осаждение меди и формирование рисунка схемы путем нанесения защитного покрытия в соответствии с рисунком схемы и последующее удаление металла с незащищенных участков, удаление защитного покрытия, гальваническое наращивание меди и нанесение консервирующего покрытия, отличающийся тем, что подготовку поверхности подложки и отверстий перед металлизацией проводят в растворе, содержащем серную кислоту, оксид хрома (VI) и воду при следующем соотношении компонентов, г/л: Серная кислота 19,2 76,8 Оксид хрома (VI) 400 Вода Остальное причем обработку проводят при 20 60^oС в течение 1 5 мин, а толщина слоя предварительной металлизации составляет 0,1 0,5 мм, толщина вакуумно осажденной меди составляет 0,2 0,5 мкм, причем нанесение защитного покрытия проводят офсетной печатью химически стойкой краской.