CC BY
46
УДК 621.357.7
Зорин Р.А., Алешина В.Х., Григорян Н.С., Ваграмян Т.А.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ БЛЕСКООБРАЗУЮЩИХ ДОБАВОК НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МЕДНОГО ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ В СКВОЗНЫХ ОТВЕРСТИЯХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Зорин Роман Анатольевич, студент 1 курса магистратуры факультета цифровых технологий и химического инжиниринга, e-mail: ZorinRoman@list.ru;
Алешина Венера Халитовна, ассистент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; Григорян Неля Сетраковна, к.х.н., доцент, профессор кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; Ваграмян Тигран Ашотович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой инновационных материалов и защиты от коррозии.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
Настоящая работа посвящена изучению стадии гальванического меднения сквозных отверстий многослойных печатных плат. Металлизация отверстий является одной из самых сложных стадий и требует высокотехнологичных электролитов и оборудования. Изучено влияние блескообразующей добавки на равномерность медного покрытия в отверстиях и на поверхности печатных плат и исследована возможность ее использования в отечественных электролитах гальванического меднения сквозных отверстий печатных плат.
Ключевые слова: печатные платы, сквозные отверстия печатных плат, рассеивающая способность, равномерность покрытия, блескообразующая добавка (Brightener).
STUDY OF THE EFFECT OF A GLOSS-FORMING ADDITIVE ON THE DISTRIBUTION OF GALVANIC COPPER PLATING IN THE THROUGH HOLES OF PRINTED CIRCUIT BOARDS
Zorin R.A., Aleshina V.Kh., Grigoryan N.S., Vagramyan T.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
This work is devoted to the study of the stage of galvanic copper plating through holes of multilayer printed circuit boards. Metallization of holes is one of the most difficult stages and requires high-tech electrolytes and equipment. The effect of the brightening additive on the uniformity of the copper coating in the holes and on the surface of the printed circuit boards is studied and the possibility of its use in domestic electrolytes of galvanic copper plating through holes of the printed circuit boards is studied.
Keywords: printed circuit boards, through holes of printed circuit boards, throwing power, coating uniformity, gloss-forming additive (Brightener).
Введение
С развитием технологий возрастает актуальность создания высокоточных печатных плат (ПП), которые являются основным компонентом электронных устройств. Печатная плата представляет собой пластину из диэлектрика (стеклотекстолит, гетинакс и др.), на поверхности и в объеме которых сформированы электропроводящие элементы электронной схемы, которые предназначены для электрического и механического соединения компонентов электроники.
С учетом современных требований к габаритам и компактности изделий наиболее востребованными в промышленности и составляющими основную долю объёма выпускаемых печатных плат являются многослойные печатные платы (МПП), представляющие собой запрессованные чередующихся слои диэлектрика с нанесенным токопроводящим рисунком (ТПР). ТПР располагаются на внешних сторонах и внутренних слоях диэлектрика, электрическая связь между которыми осуществляется посредством металлизации сквозных отверстий ПП.
Основными требованиями к гальваническому медному покрытию внутри отверстий и на поверхности
ПП являются: сплошность и равномерность покрытия, в т.ч. отсутствие эффекта «собачья кость» -избыточного нарастания металла на входе отверстия. Кроме того, толщина меди в отверстиях должна быть не менее 75-80 % толщины меди на поверхности ПП, а медное покрытие должно быть блестящим. [5]
Теоретическая часть
Для металлизации отверстий в печатных платах требуются высокотехнологичные процессы гальванического меднения, которые смогут обеспечить высокую производительность и качество изделий.
Класс печатных плат зависит от значения аспектного соотношения - отношения диаметра отверстий к толщине ПП, ширины проводников, расстояния от края площадки и так далее. [2]. Технологические возможности современных производств с каждым годом возрастают и реальные значения аспектного соотношения достигают значений 0,125; 0,100; 0,083 и менее.
Меднение сквозных отверстий печатных плат с малыми значениями аспектного соотношения является сложной и трудоёмкой операцией, во многом определяющей в дальнейшем качество конечного изделия[3].
Факторы, от которых зависит равномерность гальванического покрытия: рассеивающая способность электролита (РС), размер катода, отношение размеров анода и катода, расстояние между ними, использование реверсивного тока, перемешивания, покачивания катодных штанг и ультразвукового воздействия [3].
Перспективными электролитами меднения отверстий ПП являются сернокислые электролиты, содержащие Си2+ и H2SO4 в соотношении 1:10, а также ионы О- и Fe2+. Введение в данный электролит одновременно трех типов добавок (ингибирующая, выравнивающая, блескообразующая) позволяет повысить РС электролита и обеспечить равномерность и блеск покрытия как внутри отверстий, так и на поверхности ПП.
Экспериментальная часть
Исследовано влияние блескообразующих добавок на распределение медного покрытия в отверстиях и на поверхности ПП [4]. В качестве образцов использовались тест-купоны из фольгированного диэлектрика FR-4 толщиной 1,5 мм с отверстиями 0 0,2 мм. Для придания электропроводности стенкам отверстий тест-купоны предварительно подвергались химическому меднения (1-3 мкм), после чего осуществлялось гальваническое осаждение меди при следующих параметрах процесса: плотность тока i = 2 А/дм2, продолжительность т = 57 мин, температура электролита 20-25оС, механическое перемешивание на магнитной мешалке (750 об/мин).
Для оценки распределения медного покрытия в отверстиях ПП пользовались современным методом расчета РС с помощью поперечных шлифов с применением 2-х уравнений, используемых зарубежными производителями: минимальный РС^ (1) и максимальный РСщах (2) уравнения. Методы (рис. 1) основаны на измерении толщины покрытия на стенках отверстия (точки В1-В6) и на поверхности заготовки (точки Sl-S4) на расстоянии 25 мкм от угла отверстия. Расчет РС производили с помощью уравнений:
mx t^ + Sj+S, + ЗД4 W
PC =-
1 ^-min
(Bs + BJ/2
[St + S2 + S3 +S4)/4
■ 100%, (1)
Рис. 1. Схема поперечного шлифа отверстия тест-купона: d -диаметр отверстия
Фотографии поперечных сечений сквозных отверстий тест-купонов были получены на конфокальном лазерном микроскопе OLYMPUS LEXT OLS4100 при 1069-ти кратном увеличении. Для получения целостной картины отверстия, получаемые шесть фотографий частей отверстия соединялись в одно изображение.
На основании литературных данных [6] в качестве базового был выбран электролит, содержащий (г/л): CuSÜ4^5H2Ü 60, H2SO4 (96 %) 220, FeSO^T^O 0,5, NaCl 0,12. По данным, представленным на рис. 2а, видно, что покрытие, осажденное из базового электролита в отверстиях ПП, не отвечает требованию 0,7:1 - отношение толщин покрытия внутри отверстия и на поверхности. Добавление к базовому электролиту зарубежной блескообразующей добавки позволяет получать более равномерное по толщине покрытие, но оно также не отвечает требованию 75-80% от толщины покрытия на поверхности платы (рис. 2 б). При использовании электролита зарубежного аналога распределение покрытия в отверстии соответствует предъявляемым требованиям (рис. 2 в).
Рис. 2. Фотографии поперечных шлифов отверстий ПП 0 0,2 мм с медным покрытием:
а - базовый электролит; б - а + блескообразователь; в - зарубежный аналог; 8вн - толщина покрытия внутри отверстия; 8сн - толщина покрытия на поверхности ПП
Был исследован ряд соединений из класса тиолов, органических сульфидов и дисульфидов и найдено соединение, представляющей собой вещество из класса сульфоновых кислот и обозначенной нами Б-1, позитивно влияющее на равномерность распределения медного покрытия в отверстиях плат в интервале концентраций его в растворе 0,002-0,1 г/л [6]. На рис. 3 приведены фотографии поперечных шлифов
металлизированных отверстий и данные по рассеивающей способности при использовании соединения Б-1. В диапазоне концентраций добавки Б-1 0,002-0,005 г/л наблюдается равномерное распределение меди в отверстиях и на поверхности тест-купона, эффект «собачьей кости» отсутствует. При концентрации добавки более 0,005 г/л равномерность покрытия ухудшается.
5вн = 19 мкм
РСтах = 101 % 5вн = 21 мкм
РСтах = 85 % 5вн = 14 мкм
PCmin = 75 % РСтах = 81 % 5вн = 16 мкм
PCmin = 74 % РСтах = 90 % 5вн = 17 мкм
Рис. 3. Влияние концентрации блескообразующей добавки Б-1 на распределение медного покрытия 0 0,2; х1069:
а - 0,002 г/л; б - 0,005 г/л; в - 0,01 г/л; г - 0,05 г/л; д - 0,1 г/л
Выводы
Установлено, что использование добавки Б-1, представляющей собой вещество из класса сульфоновых кислот, в качестве блескообразователя, при ее концентрации в электролите 0,002-0,005 г/л, позволяет получать покрытия, отвечающие предъявляемым требованиям по равномерности в отверстиях и на поверхности МПП.
Список литературы
1. Брусницына Л.А., Степановских Е.И. Технология изготовления печатных плат. — Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2015. — 200 с.
2. Чернышов А. Классы точности печатных плат и современные технологии // Печатный монтаж. 2009. №6. С. 18-21.
3. Медведев А. Конструкции и принципы изготовления печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2011. №4. С. 12-18.
4. Acidic aqueous composition for electrolytic copper plating: pat. WO 2018/033461 Al. Germany. Заявл. 10.08.2017; опубл. 22.02.2018. 65 p.
5. Electrolytic copper plating bath composition and a method for their use: pat. WO 2016/169952 Al. Germany. Заявл. 20.04.2016; опубл. 27.10.2016. 48 p.
6. Tzu-Chi Chen, Yao-Lin Tsay, Chia-Fu Hsu, Wei-Ping Dow et. al. Effects of Brighteners in a Copper Plating Bath on Throwing Power and Thermal Reliability of Plated Through Holes // Electrochimica Acta. — 2016. Vol. 212. — P. 572-582.
осн = 24 мкм
осн = 23 мкм
осн = 22 мкм
осн = 21 мкм
осн = 23 мкм
