Полуаддитивный способ изготовления двусторонних печатных плат

 

Изобретение относится к технологии изготовления печатных плат на нефольгирванном диэлектрике и может быть использовано в электротехнической и радиотехнической промышленности и приборостроении. Сущность изобретения: токопроводящий алюминиевый подслой на нефольгированном диэлектрике формируют термолизом хлоранового раствора Al · H_nCl_3-n, где n = 1,2, затем его пассивируют до толщины 0,1-0,2 мкм. Травление металла осуществляют с пробельных мест, используя медь рисунка схемы в качестве травильного металлорезиста. 1 ил.

Изобретение относится к технологии изготовления печатных плат и может быть использовано в электротехнической и радиотехнической промышленности и приборостроении при изготовлении двусторонних печатных плат, а также слоев многослойных печатных плат.

Известен способ изготовления печатных плат, при котором на подложку, покрытую слоем связующего и имеющую сквозные монтажные и переходные отверстия, наносят проводящий слой, сформированный методом химического осаждения меди. Химически осажденный слой меди покрывают слоем фоторезиста, за исключением внутренних стенок отверстий и участков, соответствующих проводящему рисунку. На открытые участки химически осажденной меди осаждают слой электролитической меди определенной толщины, который далее покрывают слоем паяльного флюса. После удаления слоя резиста открытые участки слоя химически осажденной меди стравливают. При этом паяльный флюс выступает в качестве защитного резиста при травлении (1).

Недостатками данного способа являются: во-первых, потребность в сложных и дорогостоящих химикатах для операции химического осаждения меди на диэлектрик, во-вторых, растворы химического меднения трудно поддаются утилизации и экологически опасны, в третьих, травлению подвергается медь, растворы которой также экологически опасны, а средства регенерации травильных растворов сложны, дороги и энергоемки.

В промышленности применяется полуаддитивный метод изготовления печатных плат (2), аналогичный описанному в (1) с той лишь разницей, что вместо паяльного флюса гальванически осаждается сплав олово-свинец, выполняющий функцию травильного металлорезиста. Соли олова и свинца относятся к экологически опасным. Это в еще большей степени осложняет экологическую безопасность процесса.

Известен также полуаддитивный метод изготовления печатных плат, согласно которому на слой ламината, состоящий из диэлектрического основания и полуотвержденной адгезионной прокладки, предварительно обработанной каталитическим составом, осаждают химически тонкий слой меди (подслой меди) на всю поверхность и стенки отверстий. Далее наносят фоторезистивное покрытие и в нем формируют негативное изображение схемы проводников. На рисунок проводников электролитическим способом осаждают слой меди, при этом толщина проводников включает подслой химически осажденной меди и слой гальванически осажденной меди. Снимают фоторезист с пробельных мест и стравливают медь со всей поверхности, в том числе и со стенок отверстий, до полного ее удаления с пробельных мест, оставляя на плате схему проводников (3).

Данный метод обладает теми же недостатками, что и в случае способа (1). Дополнительно возрастает масса стравливаемой меди, так как медь стравливается не только с пробельных мест, но и с проводников и со стенок отверстий. Увеличивается расход травильного раствора и электроэнергии при регенерации травильного раствора, остаются экологические проблемы.

Для снижения экологической опасности в (4) предложено на поверхность нефольгированного диэлектрика наносить адгезионный слой и напылять вакуумно-дуговым методом медь, на которой в дальнейшем формируется проводящий рисунок схемы по методу (1), (2) или (3).

Недостатками предложенного в (4) метода являются ограничения в диаметрах отверстий, на стенки которых нужно осаждать медь, по отношению к толщине платы.

В основу изобретения положена задача создания нового способа изготовления двусторонних печатных плат, который бы уменьшал загрязнение окружающей среды при обеспечении высоких конструктивно-технологических характеристик печатных плат.

Способы изготовления печатных плат, описанные в (1-3), позволяют изготовить прецизионную печатную плату, но с большими затратами материальных средств как на реализацию самих процессов, так и на обеспечение их экологической безопасности. Способ, предложенный в (4), имеет ограничение по конструктивно-технологическим характеристикам печатных плат: отношение толщины платы к диаметру отверстия не более 3.

В основу изобретения положена задача создания экологически чистого процесса при обеспечении высоких конструктивно-технологических плат, в частности, соотношения толщины платы к диаметру отверстия более 3.

Поставленная задача решается тем, что токопроводящий подслой из алюминия формируют термолизом хлораланового раствора Al · H_n · Cl_3-n, осажденный алюминий пассивируют и при этом травление металла осуществляют с пробельных мест, используя медь рисунка схемы в качестве травильного металлорезиста.

На чертеже 1а показана схема изготовления двусторонних печатных плат по предлагаемому способу, а на чертежах 1б, в сечения печатной платы в месте расположения монтажного отверстия, поясняющие ту операцию, рядом с которой они изображены. Тонкими линиями изображено то, что совпадает с прототипом или аналогами, а толстыми линиями отличающиеся операции и сечения.

По предлагаемому способу процесс изготовления двусторонних печатных плат включает следующие операции: получение заготовок 1, сверление в заготовках монтажных и переходных отверстий 2, нанесение подслоя алюминия 3, получение рисунка печатных плат (формирование защитного рельефа) 4, электролитическое осаждение слоя никеля 5 (как возможный вариант), электролитическое меднение 6, удаление защитного рельефа 7, травление подслоя алюминия 8, нанесение маски под пайку 9, горячее лужение контактных площадок 10, маркирование платы 11 и механическую обработку контура платы 12. Операции 3, 5 и 8, отличающиеся от аналога и прототипа, обведены толстыми линиями.

Процесс изготовления двусторонних печатных плат по предлагаемому способу реализуется в следующей последовательности. Из листов нефольгированного диэлектрика, например, стеклотекстолита эпоксидно-фенольного марки СТЭФ, на операции 1 вырезаются заготовки 13 нужного размера. В заготовках в соответствии с чертежом платы на операции 2 сверлятся монтажные отверстия 14. Затем на операции 3 на поверхность заготовки 13 и на стенки отверстий 14 наносится алюминий из раствора хлоралана AlH_nCl_3-n, полученного синтезом из литийалюминийгидрида и хлорида алюминия в этиловом эфире по реакции (5): Хлорид лития практически не растворяется в диэтиловом эфире и легко отделяется от хлораланового раствора.

Методом термолиза хлораланового раствора при n 2 и температуре 80-100^oС из раствора на диэлектрик осаждается алюминий по реакции (6) По мере выделения из хлораланового раствора твердой фазы металлического алюминия в виде покрытия на диэлектрике жидкая фаза обогащается хлором в конечной форме хлорида алюминия, имеющего чрезвычайно высокую растворимость в эфире (до 50% по массе), что позволяет использовать это явление для связывания хлорида алюминия.

Толщина осаждаемого подслоя алюминия регулируется временем проведения термолиза, в результате проведения которого на заготовки печатных плат осаждается подслой алюминия толщиной 5-10 мкм. Высокая химическая активность алюминия (особенно в тонких слоях) требует образования эффективной защитной оксидной пленки на алюминии толщиной 0,1-0,2 мкм. Эта пленка формируется по окончании цикла нанесения алюминия путем пассивации алюминиевого покрытия плат в смеси "сухого" диэтилового эфира и этилового спирта. Тонкая пленка окиси алюминия обеспечивает высокую адгезию нанесенного слоя меди на алюминий и является промежуточным диэлектрическим слоем, препятствующим контактной коррозии.

На поверхность заготовки, покрытую слоем алюминия 15, на операции 4 наносят слой фоторезиста 16 и в слое фоторезиста 16 формируют защитный рельеф. Для этого фоторезист облучают через фотошаблон, прозрачные участки на котором соответствуют пробельным местам. Необлученные участки фоторезиста при проявлении растворяются и вскрывают поверхность заготовки и отверстия, покрытые слоем алюминия и соответствующие рисунку печатной платы.

Для усиления коррозионной стойкости платы дополнительно может вводиться операция 5, при выполнении которой на слой алюминия 15 на местах проводников, контактных площадок и стенки отверстия осаждается слой никеля 17 толщиной 3-5 мкм. Этот слой является промежуточным между слоем алюминия 15 и вносимым позже слоем меди 18, снижающим контактную разность потенциалов между алюминием и медью и уменьшающим контактную коррозию этих металлов.

На слой меди 15 либо слой никеля 17 на операции 6 через открытые участки защитного рельефа 16 осаждают электролитически слой меди 18. Толщину осажденного слоя меди 18 доводят до величины не менее 20-25 мкм, регулируя продолжительность процесса электролитического меднения заготовки. По окончании операции 6 все участки проводящего рисунка схемы, контактные площадки и стенки отверстий покроются слоем электролитической меди.

На операции 7 удаляют защитный рельеф 16 со всей поверхности платы, воздействуя на заготовку струями растворов снятия защитного рельефа. Обнажаются участки платы, покрытые только слоем алюминия 15. На слое алюминия 15 в местах расположения проводящего рисунка схемы, контактных площадок и на стенках отверстий будет находиться либо слой меди 18, либо слой никеля 17 и меди 18.

Медь 18, покрывающая проводники, контактные площадки и стенки отверстий, выполняет функцию резиста травления на операции 8, при которой происходит стравливание тонкого слоя алюминия 5 на участках, не защищенных медью 18. Под слоем меди 18 остается подслой алюминия 15 и никеля 17. Продукты травления алюминия менее токсичны, легко химически перерабатываются в коагулянты для очистки промышленных стоков, для получения красок и т.д.

Медные проводники 18 покрываются на операции 9 маской под пайку 19, которая оставляет открытыми только контактные площадки с отверстиями. Маска под пайку 19, нанесенная по медным проводникам 18, не вздувается при пайке и обеспечивает возможность изготовления печатных плат IV-V класса точности.

Для облегчения процесса пайки контактные площадки и стенки отверстий, свободные от маски под пайку, на операции 10 обслуживаются горячим припоем, так что на стенках отверстий и контактных площадках слой меди покрывается припоем 20.

Затем на поверхность платы наносят знаки маркировки методом трафаретной печати на операции 11 и обрабатывают плату по контуру на операции 12, получая готовое изделие печатную плату.

Проверка способа осуществлялась с использованием базового (типового) технологического оборудования для изготовления двусторонних печатных плат и макета реактора алюминирования. В макете реактора алюминирования реализовывалась операция 3. Все остальные операции с 1-ой по 12-ую выполнялись на базовом оборудовании. Для экспериментов была выбрана плата толщиной 3,0 мм с отверстиями диаметром 0,8 мм. При этом соотношение толщины платы к диаметру отверстия составляет 3,75, что превышает ограничения, характерные для возможного нанесения алюминия вакуумно-дуговым способом, описанным в (4). Класс точности плат соответствовал 3-4. Размеры плат не превышали 130 · 130 мм и ограничивались размером реактора для алюминирования.

После загрузки двух заготовок плат в реактор производилось заполнение его хлоралановым раствором Al · H₄ · Cl_3-n, включался обогрев реактора и температура раствора поднималась до 90^oС. Происходил термолиз хлоранового раствора с выделением алюминия на поверхности заготовки. Затем, не произведя разгерметизации реактора, откачивался хлоралановый раствор и полость реактора заполнялась смесью "сухого" диэтилового эфира и этилового спирта для обеспечения пассивации алюминия. После этого смесь из реактора откачивалась, реактор с платами просушивался. Готовые платы подвергались контролю. Измерялась толщина нанесенного алюминия на поверхности и в отверстиях. Для контроля качества металлизации в отверстиях использовался как метод шлифов, так и приборы неразрушающего контроля типа Caviderm (США). Толщина алюминия в отверстии составила 5-10 мкм.

Проверка качества нанесенного слоя алюминия подтвердила возможность роеализации процесса жидкофазного алюминирования из хлоралановых растворов с пассивацией поверхности.

Далее платы изготавливались по всему циклу. Проведенные испытания готовых плат подтверждают их высокое качество при сохранении конструктивно-технологических характеристик. При этом снижается загрязнение окружающей среды в связи с травлением алюминия только с пробельных мест, а не меди, и исключается использование в качестве травильного металлорезиста сплава олово-свинец.

Использование изобретения дает следующие эффекты по сравнению с прототипом: экономится около 0,2 кг меди на каждом квадратном метре изготавливаемой платы, так как в отличие от прототипа стравливается не медь, а алюминий и притом не со всей поверхности, а только с пробельных мест; алюминия стравливается с пробельных мест всего 0,03 кг. При цене за тонну меди 180 тыс. руб. а за тонну алюминия 95 тыс. руб. разница в цене составит 33 руб. на каждом квадратном метре платы; снижается стоимость ущерба окружающей среде не менее чем на 0,8 руб. на 1 л отработанного раствора, так как исключается операция химического меднения, для которой требуются дефицитные, дорогостоящие и трудноутилизируемые химикаты, и стравливается не медь, а алюминий.

Формула изобретения

Полуаддитивный способ изготовления двусторонних печатных плат, включающий выполнение отверстий в диэлектрической подложке, нанесение на поверхность подложки и в отверстия металлического подслоя, формирование фоторезистивной маски и электрическое осаждение меди в отверстия и в окна маски в соответствии с рисунком схемы, удаление фоторезистивной маски, травление подслоя, нанесение защитной маски под пайку, горячее лужение контактных площадок и обработку по контуру, отличающийся тем, что в качестве металла подслоя используют алюминий толщиной не менее 5 мкм, а нанесение подслоя алюминия проводят термолизом хлораланового раствора Al·H_nCl_3-n (где n 1, 2), после чего проводят пассивирование алюминиевого подслоя до толщины оксида алюминия 0,1 0,2 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1