CC BY
66
УДК 621.357.7
Зорин Р.А., Алешина В.Х., Григорян Н.С.
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО МЕДНЕНИЯ СКВОЗНЫХ ОТВЕРСТИЙ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Зорин Роман Анатольевич, студент 1 курса магистратуры факультета цифровых технологий и химического инжиниринга, e-mail: Zori nRoman@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.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
Данная статья посвящена процессу гальванического меднения сквозных отверстий печатных плат, который является одной из самых сложных стадий в производстве печатных плат. Представлен краткий обзор литературы по влиянию природы добавок, их состава и концентрации на рассеивающую способность электролита. Рассмотрена возможность применения изученных добавок в отечественных электролитах электроосаждения меди в отверстиях печатных плат.
Ключевые слова: печатные платы, сквозные отверстия печатных плат, рассеивающая способность, распределение покрытия, ингибирующая добавка (Carrier), выравнивающая добавка (Leveller), блескообразующая добавка (Brightener).
STUDY OF THE PROCESS OF GALVANIC COPPER PLATING OF THROUGH HOLES OF PRINTED CIRCUIT BOARDS
Zorin R.A., Aleshina V.Kh., Grigoryan N.S.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
This article is devoted to the process of galvanic copper plating through holes ofprinted circuit boards, which is one of the most difficult stages in the production ofprinted circuit boards. A brief review of the literature on the effect of the nature of the additives, their composition and concentration on the scattering capacity of the electrolyte is presented. The possibility of using the studied additives in domestic electrolytes of copper electrodeposition in the holes of printed circuit boards is considered.
Keywords: printed circuit boards, through holes ofprinted circuit boards, throwing power, uniform distribution of coating, inhibitory additive (Carrier), leveling additive (Leveller), bright-forming additive (Brightener).
Введение
С каждым годом возрастает актуальность создания сверхмощных и высокотехнологичных электронных устройств, одним из наиболее важных компонентов которых является печатная плата (ПП).
ПП представляет собой пластину из диэлектрика (стеклотекстолит, гетинакс и др.), на поверхности и в объёме которой сформированы электропроводящие элементы электронной схемы, предназначенные для электрического и механического соединения компонентов электроники. В зависимости от области применения и условий эксплуатации ПП могут быть разных размеров и конфигураций.
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 обеспечивается металлизацией сквозных отверстий, пронизывающих слои печатной платы.
Данная работа посвящена одной из сложнейших стадий производства МПП - гальванической металлизации сквозных отверстий МПП.
Теоретическая часть
Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных компонентов, а также имеет переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, располагающиеся на разных слоях платы [1].
С усовершенствованием технологий
изготовления МПП наблюдается тенденция уменьшения аспектного соотношения - отношения наименьшего диаметра отверстия к толщине заготовки печатной платы. Классы печатных плат в зависимости от аспектного соотношения указаны в ГОСТ 23751-86 [2] (таблица 1).
Таблица 1. ГОСТ 23751-86. Платы печатные. Основные параметры конструкции
Условное обозначение Номинальное значение основных параметров для класса точности
1 2 3 4 5
Аспектное соотношение* 0,40 0,40 0,33 0,25 0,20
Диаметр наименьшего из металлизированных отверстий, мм 0,600 0,600 0,495 0,375 0,300
*При толщине печатной платы (1,5 мм)
Для металлизации отверстий в печатных платах с малым значениями аспектного соотношения требуются высокотехнологичные процессы гальванического меднения, которые смогут обеспечить высокую производительность и качество изделий. Известные отечественные технологии гальванического меднения ПП не обеспечивают требуемой равномерности медного покрытия в отверстиях высокоточных плат.
Переходные и монтажные отверстия при изготовлении печатных плат получают механическим (сверление), лазерным способами, а также плазменным воздействием и фотолитографией.
Для получения токопроводящего слоя в отверстиях ПП, проводят процесс металлизации в несколько стадий. На первом этапе заготовку необходимо подготовить, проведя следующие операции: удаление загрязнений, окислов и царапин; удаление заусенцев и смолы, которые образовались в процессе формирования отверстий; придание шероховатости поверхности для улучшения адгезии диэлектрика с покрытием; активация диэлектрика с целью последующего химического меднения.
Металлизация отверстий ПП реализуется в три стадии. Сначала проводится химическое меднение -это сложный автокаталитический окислительно-восстановительный процесс. Катализатором начала процесса химического меднения является металлический палладий, слой которого формируют на поверхности диэлектрика на стадии предварительной активации. Осаждающаяся на поверхности отверстия металлическая медь выполняют дальнейшую роль катализатора процесса химического осаждения меди. Поэтому процесс называют автокаталитическим. Для того, чтобы укрепить рыхлый слой химической меди, проводят гальваническую затяжку медью толщиной до 5 мкм, а после проявления токопроводящего рисунка на внешних слоях МПП - гальваническое наращивание меди до 25-30 мкм.
Одной из наиболее сложных и трудоёмких стадий процесса производства ПП является гальваническая металлизация сквозных отверстий и проводников [1].
Параметрами, от которых зависит равномерность гальванического покрытия внутри отверстия и на поверхности ПП являются рассеивающая способность электролита, отношение размеров анода и катода друг к другу, расстояние между катодом и анодом, плотность тока, использование реверсивного
тока, перемешивания, покачивания катодных штанг и ультразвукового воздействия [3].
Стадия меднения отверстий играет главную роль в обеспечении качества изготавливаемых МПП. При корректном выборе электролита для электроосаждения меди, получаемые медные покрытия будут соответствовать таким высоким требованиям, как: мелкозернистая структура покрытия; равномерность покрытия как внутри отверстий, так и на поверхности ПП, в т.ч. отсутствие эффекта «собачья кость» - избыточное нарастание металла на входе отверстия, сплошность (отсутствие трещин, разрывов) и эластичность покрытия, отсутствие подгара и питтинговой коррозии, толщина медного покрытия - не менее 25 мкм.
Анализ литературы показал, что состав электролита меднения отверстий ПП можно разделить на две части: на базовый состав и применяемые добавки. В базовый состав входит в г/л: Си2+ (СиБО^^О) 30-80; ^04 50-250; Бе2+ ^04^0) 0,5-10; С1- (№С1) 0,06-0,12 [7, 8].
Введение добавок в базовый состав электролита помогает получить гальванические медные покрытия, которые удовлетворяют современным техническим требованиям [5].
Отечественные производители ПП используют для гальванического меднения отверстий ПП композиции зарубежных производителей, электролиты на основе которых которые обладают высокой рассеивающей способностью, что позволяет получать равномерные покрытия как внутри отверстий, так и на поверхности ПП. Получаемые покрытия обладают высоким блеском с «золотым переливом», а также отсутствием шероховатости поверхности [5, 6].
В зарубежной литературе описывается три основных типа добавок: ингибирующая, выравнивающая и блескообразующая [6].
Ингибирующие добавки играют роль замедлителей процесса адсорбции ионов меди Си2+ на катодной поверхности, что в данном случае позволяет получить наиболее равномерный осаждаемый медный слой на проводнике и в отверстиях МПП. В качестве ингибирующей добавки могут применяться такие классы соединений, как спирты и гликоли с концентрацией от 0,005 до 20 г/л, но предпочтительно от 0,01 до 5 г/л [7].
Часто применяемыми соединениями в практике электроосаждения меди в производстве ПП являются поливиниловые спирты (ПВС), полиэтиленгликоли
(ПЭГ), полиалкиленгликоли, полипропиленгликоли; полигликолевый эфир стеарилового спирта; полигликолевый эфир олеиновой кислоты и др. [8]. Молекулярный вес данных соединений составляет 400-20000 г/моль [5, 8].
Выравнивающие добавки направлены на уменьшение скорости осаждения меди на выступах и усиление скорости осаждения в микроуглублениях. В роли выравнивающих добавок в основном используют органические вещества, которые содержат в своём составе положительно заряженный атом азота N c неподелённой электронной парой. Анализ литературных данных [9] показал, что в качестве выравнивающих добавок могут выступать такие классы соединений, как феназиновые красители (Janus Green B, Bismarck Brown Y, Acid Violet 7), гетероциклические соединения (4-меркаптопиридин, 2-меркаптотиазолин, имидазол), мочевина, тиомочевина и их производные (N-ацетилтиомочевина, N-трифтороацетилтиомочевина, N-аллилтиомочевина, О-толилтиомочевина, N, N'-бутилентиомочевина). Концентрация
вышерассмотренных соединений в рабочем электролите меднения должно быть в интервале 0,000001-0,5 г/л.
Блескообразующие добавки позволяют получить зеркально блестящие покрытия за счёт уменьшения шероховатости получаемой поверхности. Вещества, таких классов соединений, как тиолы, сульфокислоты, сульфидные, дисульфидные и полисульфидные, могут выступать в роли блескообразующих добавок.
Примерами таких веществ являются MPSA (3-меркапто-1-пропансульфоновая кислота), ZPS (натриевая соль 3-(2-бензтиазолилтио)-1-пропансульфоновая кислоты), UPS (3-(аминоиминометил)-тио)-1 -пропансульфоновая кислота), натрий 3-(бензтиазоил-2-тио)-
пропилсульфоновой кислоты, при концентрации их в электролите 0,1-0,4 г/л [10].
Одной из часто встречающихся проблем при металлизации отверстий МПП, являются кольцевые утоньшения меди (иногда кольцевые разрывы) в отверстиях, образующиеся в результате «воздушных пробок», препятствующих проникновению электролита в отверстия заготовок ПП. Для устранения пузырьков воздуха из отверстий заготовки ПП используются качание катодной штанги от анода к аноду, а также ее вибрация [4].
Оптимальным параметрами металлизации отверстий МПП согласно литературным данным [5, 6] являются: катодная плотность 1,4-3,5 А/дм2; анодная плотность тока 0,5-2 А/дм2; напряжение на ванне равно 1-6 В; температура электролита 20-26°С; перемешивание посредством качания катодной штанги.
Заключение
Процесс металлизации сквозных отверстий является одним из основных этапов, обеспечивающих качество в производстве печатных плат. Одним из главных требований к медному покрытию является его равномерность внутри отверстий и на поверхности заготовки печатной платы. Для получения качественного медного покрытия в отверстиях и на поверхности МПП необходимо обеспечить высокую рассеивающую способность электролита. Для достижения задачи получения равномерного медного покрытия в отверстиях и на поверхности МПП возможно использование сернокислых электролитов меднения с добавлением одновременно нескольких видов добавок: ингибирующая, выравнивающая и блокообразующая.
Список литературы
1. Брусницына Л.А., Степановских Е.И. Технология изготовления печатных плат. — Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2015. — 200 с.
2. ГОСТ 23751-86. Платы печатные. Основные параметры конструкции. — М., Издательство стандартов, 1988. — 7 с.
3. Медведев Аркадий. Конструкции и принципы изготовления печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2011. №4. С. 12-18.
4. Истомина Н.В., Сосновская Н.Г., Ковалюк Е.Н. Оборудование электрохимических производств: учеб. пособие. — Ангарск: АГТА, 2010. — 100 с.
5. Aqueous copper plating baths and a method for deposition of copper or copper alloy onto a substrate: pat. WO 2017/037040 Al. Germany. Заявл. 31.08.2015; опубл. 9.03.2017. 45 p.
6. Acidic aqueous composition for electrolytic copper plating: pat. WO 2018/033461 Al. Germany. Заявл. 10.08.2017; опубл. 22.02.2018. 65 p.
7. Method of electroplating uniform copper layer on the edge and walls of though holes of a substrate: pat. EP 2465976 A1. Germany. Заявл. 13.12.2011; опубл. 20.06.2012. 18 p.
8. 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.
9. Chong Wang, Jinqiu Zhang, Peixia Yang, Maozhong An. Electrochemical behaviors of Janus Green B in through-hole copper electroplating: An insight by experiment and density functional theory calculating using Safranine T as a comparison // Electrochimica Acta. — 2013. Vol. 92. — P. 356-364.
10. 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.
