CC BY
13
УДК 621.357.7
Алешина В.Х., Григорян Н.С., Аснис Н.А., Савицкая С.А., Коротких И.С.
КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ МИКРОТРАВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОТВЕРСТИЙ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ПЕРЕД МЕТАЛЛИЗАЦИЕЙ
Алешина Венера Халитовна - ассистент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; почта [email protected];
Григорян Неля Сетраковна - к.х.н., профессор, доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии;
Аснис Наум Аронович - к.т.н., ведущий инженер кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; Савицкая Сирануш Артуровна - соискатель ученой степени кандидата наук кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии;
Коротких Игорь Сергеевич - студент 1 -го курса магистратуры кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии.
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Настоящая работа посвящена изучению стадии микротравления поверхности печатной платы в процессе химического меднения. Химическая металлизация отверстий является одной из определяющих качество конечного металлического покрытия стадий и требует высокотехнологичных растворов и оборудования. Настоящее исследование посвящено разработке конкурентоспособного отечественного раствора микротравления фольгированного диэлектрика.
Ключевые слова: печатные платы, химическое меднение, подготовка поверхности, микротравление. COMPOSITION FOR MICROETCHING THE SURFACE OF HOLES OF PRINTED CIRCUIT BOARDS BEFORE METALIZATION
Aleshina V.Kh., Grigoryan N.S., Asnis N.A., Savitskaya S.A., Korotkikh I.S. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
This work is devoted to the study of the stage of microetching of the printed circuit board surface in the process of chemical copper plating. Chemical plating of holes is one of the stages that determine the quality of the final metal coating and requires high-tech solutions and equipment. The present study is devoted to the development of a competitive domestic solution for microetching of a foil dielectric.
Key words: printed circuit boards, chemical copper plating, surface preparation, microetching.
Введение
Высокие темпы развития электроники требуют улучшения технического уровня печатных плат (ПП). Связанное с этими факторами увеличение плотности монтажа изделий требует повышения класса точности ПП, т.е. снижения диаметра отверстий и аспектного соотношения - отношения диаметра отверстия к толщине печатной платы [1, 2].
Создание прочного электрического соединения между слоями ПП и токопроводящим рисунком (ТПР) на поверхности диэлектрика является ответственной частью процесса изготовления ПП, который включает в себя стадию химической металлизации [1].
Качество химических медных покрытий во многом предопределяет качество последующих слоёв и в конечном итоге, определяет технический уровень и надёжность производимых ПП. Качество химически осаждённого подслоя меди во многом зависит от технологии подготовки поверхности диэлектрика. Процесс металлизации диэлектрика и отверстий печатных плат включает в себя следующие основные стадии:
1. Подготовка поверхности: очистка-
кондиционирование, микротравление и активация поверхности диэлектрика.
2. Создание токопроводящего слоя, толщина которого составляет от 0,3 до 1 мкм, химическим методом.
3. Гальваническое наращивание основного слоя меди толщиной до 25-30 мкм [2].
Наиболее распространённым материалом для основы печатных плат является фольгированный стеклотекстолит FR-4. Это диэлектрик, представляющий собой эпоксидную смолу, армированный стекловолокном. Толщина диэлектрика варьируется от 0,5 до 3,0 мм. Одними из главных преимуществ данного материала являются высокая устойчивость к воздействию неблагоприятных условий и хорошие диэлектрические свойства.
Отечественные стандартные растворы (ГОСТ 23770-79) для процесса химического меднения ПП относятся к 70-м гг и не удовлетворяют современным требованиям по технологическим характеристикам и свойствам получаемых покрытий, таким как стабильность, ресурс, прочность сцепления химического медного покрытия с основой. Более поздние отечественные разработки [3] также не нашли практического применения, поскольку уступают импортным аналогам по перечисленным параметрам и технологичности. Отечественные производители печатных плат используют для стадий подготовки отверстий печатных плат композиции
немецких, шведских, итальянских и др. производителей.
Недостатками применения импортных продуктов являются их высокая стоимость, необходимость складского резерва из-за возможных перебоев с поставками, а также риски прекращения поставок в условиях введения санкций.
Данная работа выполняется в рамках НИР по импортозамещению в производстве ПП и посвящена разработке растворов для технологии химической металлизации отверстий печатных плат, в т.ч. раствора микротравления.
Основная часть
Химическая очистка поверхности диэлектрика состоит из трёх основных операций:
1. Обработка поверхности заготовок в растворе очистителя-кондиционера для удаления следов загрязнений органического происхождения.
2. Обработка в растворе микротравления для создания развитого микрорельефа с целью улучшения адгезии последующего слоя химической меди и удаления оксидных плёнок.
3. Обработка в растворе активатора для создания каталитически активного слоя, необходимого для дальнейшей стадии металлизации [1].
Для микротравления чаще всего используют растворы, содержащие серную кислоту и персульфаты (К, № или КНз) или растворы на основе серной кислоты и перекиси водорода. Персульфатные растворы травления получили наиболее широкое применение из-за простоты приготовления и применения. При обработке персульфатными растворами обрабатываемая поверхность приобретает развитый микрорельеф.
Классический раствор микротравления согласно ГОСТ 23770-79 содержит (г/л): 10-20 Н2804 (р = 1,84 г/ см3) и 100-200 ^Н4)28208. Продолжительность обработки поверхности не должно превышать 30 с при температуре 18-25°С. Данный раствор, являясь сильным микротравителем, позволяет получить развитую микрошероховатую поверхность меди, с которой химическое медное покрытие будет иметь хорошее сцепление. Важным недостатком данного раствора является то, что он нестабилен и по мере старения ванны скорость травления значительно снижается. Вторым существенным недостатком раствора является наличие иона аммония, который является комплексообразователем. Образуя труднорастворимые соединения, значительно осложняет обработку сточных вод как физически, так и экономически [3]. Данная проблема решается использованием щелочных персульфатных растворов (^208, ^08).
В качестве базового состава раствора микротравления для подготовки поверхности фольгированного диэлектрика перед металлизацией с учетом литературных сведений был выбран раствор, содержащий персульфат калия или натрия, серная кислота и ионы меди.
Согласно техническому заданию и полученным нами экспериментально характеристикам
зарубежного аналога, скорость травления должна находиться в диапазоне 0,4-0,8 мкм/мин. Скорость травления определяли гравиметрическим методом. Образцы фольгированного диэлектрика,
предварительно прошедшие обработку в очистителе-кондиционере, высушивали и взвешивали на аналитических весах. Затем проводили травление поверхности в исследуемых растворах в течение 60 с, вновь высушивали и взвешивали образцы. Скорость травления (мкм/мин) рассчитывали по формуле (1).
Дт-104
$ = Д?П 10 (1)
^трав р,^ К1)
где Аш = (т1 - Ш2) - разность масс до и после травления поверхности образцов, г;
р - плотность меди, г/см3;
Б - поверхность образца, см2.
Шероховатость поверхности после травления с применением персульфата натрия и калия сопоставима, однако, в качестве компонента разрабатываемого раствора был выбран персульфат натрия, как наиболее экономически выгодный, поскольку его стоимость примерно в два раза меньше.
Было исследовано влияние концентрации персульфата натрия на скорость травления меди при содержании в растворе серной кислоты 35 г/л (рис. 1).
1,2 у
1 /
Я 0,8-------------------/------
8 у
- 0.6---/-—
а /
о -,-,-,-,-,-,
5 15 25 35 45 55 65
Концентрация N328308, г/л
Рис. 1. Зависимость скорости травления меди от концентрации Ыа2Б208.
Состав раствора (г/л): 35 Н2$04, 0,5 Си2+. ? = 35°С
С учётом полученной зависимости можно сделать вывод о том, что с увеличением концентрации окислителя в растворе микротравления скорость травления возрастает. Учитывая допустимую скорость травления (область, выделенная на графике) интервал рабочих концентраций персульфат натрия составляет 35-60 г/л при содержании в растворе микротравителя 35 г/л Н2Б04 и 0,5 Си2+ (в виде пятиводного сульфата меди).
Следует отметить, что во время межоперационных пауз (перенос в ванну промывки и
т.д.) наблюдалось окисление активированной поверхности образцов. С целью предотвращения данного явления был исследован ряд ингибиторов коррозии: бензотриазол (БТА), толилтриазол (ТЛТ), Korantin BH Solid (2-бутин-1,4-диол), PBTC (2-фосфонобутан-1,2,4-трикарбоновая кислота) и Activae Cl OA (смесь аминов и их производных). Было исследовано влияние природы ингибиторов коррозии при их концентрации в растворе 0,05 г/л на показатель шероховатости Ra поверхности (рис. 2). Для измерения шероховатости поверхности использовали метод контактного сканирования с помощью профилографа Mitutoyo МТ178-601.
0,5
0,45
0,4 --
0,35
0,3
11
-
Рис. 2. Показатели шероховатости Яа поверхности
после травления в растворах, содержащие различные ингибиторы. Состав раствора (г/л): 35 Н2Ю4; 48 Яа28208; 0,5 Си2+.
Параметры процесса: т = 2 мин, t = 35°С
Из заранее проведенных исследований было показано, что оптимальным параметром шероховатости Яа после стадии микротравления является 0,38-0,40 мкм. Из полученных результатов видно, что наиболее подходящими ингибиторами для решения поставленной задачи являются: бензотриазол (Яа = 0,38 мкм) и толилтриазол (Яа = 0,40 мкм), при использовании которых в составе раствора микротравления шероховатость медной поверхности находится в допустимом интервале при определенном режиме обработке.
Исследована зависимость скорости травления меди от концентрации БТА и ТЛТ в растворе микротравления (рис. 3).
Полученные результаты позволяют определить подходящие ингибиторы и диапазон рабочих концентраций ингибиторов: БТА 0,05-0,07 г/л, ТЛТ 0,05-0,07 г/л. Вне выбранных интервалов показатели шероховатости и скорость травления меди не удовлетворяют предъявляемым требованиям.
0,01
0,03 0,05 0,07
Концентрация БТА, г/л
о,оэ
0,01 0,03 0,05 0,07 0,09
Концентрация ТЛТ, г/л
Рис. 3. Зависимость скорости травления меди от концентрации ингибитора в растворе микротравления: а - БТА ; б -ТЛТ. Состав раствора (г/л): 35 Н2^04 ', 48 т^О; 0,5 Си2+. t = 35°
Заключение
Раствор микротравления перед химическим меднением, содержащий (г/л): 35 H2SO4; 3560 Ш^^; 2,0 CuSO4 • 5H2O; 0,05-0,07 бензотриазол или толилтриазол, позволяющий при t = 20-35°^ т = 2 мин стравливать поверхность со скоростью, не превышающей 0,4 < V < 0,8 мкм/мин.
«Публикация создана при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках проекта FSSM-2022-0006».
Список литературы
1. Брусницына Л.Ф., Степановских Е.И. Технология изготовления печатных плат. Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2015. 200 с.
2. Смертина Т. Подготовка поверхности меди. Механическая или химическая? // Технологии в электронной промышленности, 2005. № 3. С. 26-31.
3. ГОСТ 23770-79. Платы печатные. Типовые технологические процессы химической и гальванической металлизации. М., 1995. 35 с. (Издательство стандартов).
