Пленочный фоторезист. Изготовление печатных плат

Изготовление печатных плат осуществляется химическим, электрохимическим или комбинированным способом. В последнее время получили распространение новые способы изготовления — аддитивные. Исходным материалом при химическом способе служит фольгированный диэлектрик, т. е. изоляционный материал, обычно гетинакс, на поверхность которого с одной или двух сторон наклеена медная фольга толщиной 35—50 мкм. На поверхность медной фольги вначале износится защитный рисунок (рельеф) таким образом, чтобы он защитил проводники при вытравливании меди. Защитный рисунок схемы выполняется стойкими к воздействию травильных растворов материалами. Затем следует операция травления, в результате которой полностью вытравливается медь и создается проводящий рисунок. В зарубежной практике данный способ называют субтрактивным. Отверстия для установки выводов электрорадиоэлементов (резисторы, конденсаторы и т. д.) сверлятся или штампуются после вытравливания меди и не металлизируются. Пайка выводов электрорадиоэлементов производится непосредственно к контактным площадкам печатных проводников. Химический метод применяется главным образом в производстве плат широковещательной радиоаппаратуры. Электрохимический способ в зарубежной литературе и частично в отечественной практике называют полуаддитивным от латинского слова «additio» (сложение), так как проводящий рисунок создается в результате электрохимического осаждения металла, а не вытравливания. Приставка «полу» означает, что в технологии изготовления сохранена операция травления тонкого слоя металла, который образуется по всей поверхности платы при химической металлизации [4].

Рисунок 2 Пайка выводов электрорадиоэлементов.

Электрохимический способ предусматривает получение металлизированных отверстий одновременно с проводниками и контактными площадками. Комбинированный способ представляет собой сочетание первых двух способов. Исходным материалом служит фольгированный с двух сторон диэлектрик, поэтому проводящий рисунок получают вытравливанием меди, а металлизация отверстий осуществляется посредством химического омеднения с последующим электрохимическим наращиванием слоя меди. Пайка выводов электрорадиоэлементов производится посредством заполнения припоем монтажных отверстий в плате. На рис. 2 показана структура платы, изготовленной комбинированным методом [4].

Рисунок 2 Структура печатной платы, изготовленной комбинированным методом: 1 — диэлектрик; 2 — медная фольга; 3 — металлический слой

Существует очень много материалов, обладающих способностью полимеризоваться под действием света, однако в практике производства печатных плат применяют фоторезисты на основе поливинилового спирта (ПВО), фоторезисты на основе диазосоединений, ФПП и фоторезист «холодная эмаль». Фоторезист на основе ЛВС. Поливиниловый спирт — синтетический полимер, хорошо растворимый в воде. При добавлении к нему бихромата аммония происходит «очувствление» ПВС и превращение его в фотополимерный материал. По ГОСТ 10779—78 выпускается ПВС марок 7/1, 11/2 и 15/2 для производства печатных плат. Фоторезист, содержащий 70—120 г/л поливинилового спирта, 8— 10 г/л двухромовокислого аммония и 100—120 мл/л этилового спирта, обычно наносится в два слоя окунанием в него плат и медленным вытягиванием их из раствора. Первый слой подсушивается при 25—35 °С в течение 20—30 мин, второй — при температуре 35—45 °С в течение 60 мин. Экспонирование изображения осуществляется в вакуумных рамах под действием ртутно-кварцевых ламп ДРГТ-3000 в качестве источников света. Проявление изображения производится следующим образом: вначале плату погружают в раствор метилвиолета (2—3 г/л) на несколько секунд, а затем, окунув ее в теплую воду, или под струей теплой воды поверхность платы протирают с помощью поролоновой губки. Окраска нужна для контролирования качества проявления. После промывки в воде следует химическое дубление в растворе хромовой кислоты (50 г/л) в течение 1—2 мин. После тщательной промывки и сушки воздухом производят термическое дубление при температуре 100—120 °С в течение 3 ч для придания фоторезисту повышенной химической стойкости. Фоторезист на основе ПВС нетоксичен, обладает хорошей разрешающей способностью (50 линий на 1 мм), прост в приготовлении и употреблении. Однако он обладает и рядом недостатков: «темновое дубление» (задубливаиие в темноте), нестабильность свойств под влиянием повышенной влажности и температуры окружающей среды, недостаточная устойчивость против воздействия растворов гальванических ванн и особенно борфтористоводородных электролитов. Фоторезисты на основе диазосоединений. Эти фоторезисты являются позитивными по способу образования рисунка, т. е. при экспонировании они разрушаются под действием света. Фоторезисты этого типа характеризуются очень высокой разрешающей способностью (350—400 линий на 1 мм), отсутствием «темнового дубления» и повышенной химической стойкостью, однако они еще очень дорогие, токсичные и применяются только в технически обоснованных случаях. Светочувствительность обусловлена наличием «диазогрупп» —N=N—, которые под действием света разлагаются и образуются продукты в виде сложных органических кислот. Эти продукты в щелочной среде образуют хорошо растворимые соли, которые способствуют проявлению рисунка.

Рисунок 3 Структура пленочного фоторезиста: 1 — полиэтиленовая пленка; 2 — сухой фоторезист; 3 — пленка лавсана

Фоторезист ФПП. Фотополимер для печатных плат ФПП выпускается в виде готового продукта по ТУ НУО. 028.012. Фоторезист обладает хорошей устойчивостью к электролитам, механически прочен, имеет хорошую адгезию к подложке и большую разрешающую способность. Однако высушенный слой фоторезиста весьма чувствителен к кислороду, который ингибирует эффект фотополимеризации. Для защиты от воздействия кислорода фоторезист покрывают лавсановой пленкой или наносят тонкий слой ПВС. Фоторезист «холодная эмаль» является продуктом, аналогичным фоторезисту ФПП, и приготавливается непосредственно на предприятии из отдельных компонентов, к которым относятся бензолформальдегидная смола, сухой сополимер, полиэфир ТГМ, гидрохинон, метилвиолет, растворенный в этиловом спирте (на 1 л фоторезиста необходимо 820 мл спирта). Этот тип фоторезиста также обладает рядом преимуществ перед составом на основе ПВС, в частности большей химической стойкостью, прочностью, стабильностью, и характеризуется отсутствием «темнового дубления».

Рисунок 4 Схема нанесения пленочного фоторезиста: 1 — бобина для намотки полиэтиленовой пленки; 2 — рулон фоторезиста; 3 — отделительный валик; 4 — прижимной валик; 5 — плата

Формирование защитного рельефа с помощью фоторезиста ФПП производится в той же последовательности операций, что и для фоторезиста ПВС. Проявление рисунка производится раствором двууглекислого натрия (концентрацией 40 г/л) или соды кальцинированной (концентрацией 40 г/л) при температуре 35—40 °С. В операции дубления нет необходимости, так как защитный рисунок создается весьма устойчивой пленкой. Из отработанного проявителя можно утилизировать фоторезист, добавляя к проявителю 10 %-ный раствор серной кислоты до рН 5—6 (по индикаторной бумаге). Компоненты фоторезиста выпадают в осадок, который отфильтровывается бумажным фильтром, подсушивается на воздухе и вторично используется для приготовления фоторезиста в виде спиртового раствора. Существенным недостатком жидких фоторезистов всех типов является почти полная невозможность их использования в базовой технологии для нанесения на заготовки плат с просверленными отверстиями, так как при заливке отверстий жидкими фоторезистами образуются вытяжки, неровности и другие дефекты, затрудняющие фотопечать. Другим их недостатком является малая толщина слоя защитного рисунка, вследствие чего при гальванических операциях осаждаемый металл, разрастаясь, образует грибовидную форму проводника. Однако использование фоторезиста ФПП в базовой технологии имеет место в тех случаях, когда фоторезист наносится на заготовку с металлизированными отверстиями на валковых установках. Тогда он не попадает в отверстия. Для защиты при экспонировании поверхностного слоя фоторезиста от воздействия кислорода и озона на плату наносят окунанием слой желатины, который легко удаляется в процессе проявления. В таблице 2 приведены основные неполадки при получении защитного рисунка с помощью пленочных фоторезистов.

Вид дефекта	Причины дефекта
Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор	Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор
Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор	Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор
Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор	Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор
Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор	Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор
Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор	Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор
Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор	Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор
Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор	Избыточная толщина металлического покрытия Загрязненный раствор для удаления Недостаточное давление, под которым подается раствор

Таблица 2

Фотохимические процессы

Фотохимия – раздел химической науки о превращениях веществ под воздействием света. Свет – это довольно узкая область в спектре электромагнитного излучения, которая простирается в пределах от далекого ультрафиолета до ближайшей инфракрасной области. По современным представлениям свет проявляет как волновые свойства, которые позволяют объяснить явления отражения, преломления, дифракции, интерференции и поляризации света, так и корпускулярные свойства, объясняющие фотоэффект, эффект Комптона, излучение черного тела. Для понимания и объяснения фотохимических процессов используют представления о корпускулярных свойствах света, когда световое излучение распространяется в пространстве дискретными порциями – квантами, или фотонами. Энергия кванта или фотона пропорциональна частоте излучения [5]:

E=h

Фотохимический метод в производстве печатных плат заключается в переносе изображения с негатива или диапозитива на светочувствительный слой, нанесённый на металлизированную поверхность заготовки и проявлении. В основе метода лежит использование фотохимических реакций [6].

Под печатной платой понимают соединения из изоляционного основания и металлических слоев, которое служит для электромонтажа элементов и узлов, соединения их в электрическую цепь для передачи электрических сигналов, а также их механического закрепления. Печатная плата с установленными на ней ЭРЭ представляет собой печатный узел. Система электрических соединений в виде участков металлического покрытия, используемая вместо объемных проводников называется печатным монтажом. Проводники, лежащие в одной плоскости, называются печатным рисунком. Основой печатных плат является диэлектрик с высокой химической и термической стойкостью, минимальной деформацией и фотопоглощением (до 0,5). Удельное сопротивление не менее 1010 Ом. В качестве диэлектрика печатных плат широко используются стеклотекстолит. Стеклотекстолит фольгированный получают склеиванием стеклотекстолита и медной фольги на гидравлических прессах. Фотохимический метод заключается в переносе изображения с негатива или диапозитива на светочувствительный слой, нанесённый на металлизированную поверхность заготовки и проявлении. В основе метода лежит использование фотохимических реакций. При поглощении света происходит разложение превращения полимеров в светочувствительном слое, типа деструкции, структурирования и образования разветвлённых систем. Спектр солнечного света содержит 5 – 7 % ультрафиолетовых лучей и не разрушает полимеров. Для фотолитографических процессов используются искусственные источники света. Перенос рисунка печатных проводников на фольгированный диэлектрик осуществляется с помощью фоторезистов. Фоторезисты образуют устойчивый к травлению слой толщиной 10 – 30 мкм. Фоторезисты – это светочувствительные (фото) и устойчивые к воздействию (резисты) агрессивных факторов: нагревание, химическое травление композиции. Негативные фоторезисты под действием актиничного излучения (вызывающего активизацию фоторезиста) в результате фотополимеризации и задубливания перестают растворяться и остаются на поверхности подложки. Позитивные фоторезисты передают рисунок фотошаблона, т.к. экспонированные участки разрушаются и вымываются. При работе с негативными фоторезистами негатив. Проекционное экспонирование света позволяет исключить дифракционные явления, контакт фотошаблона с заготовкой и увеличивает его срок службы, процесс автоматизирован [7]. Плата, изготовленная с помощью фотолитографии, представлена на рисунке 5.

Рисунок 5

Подготовка поверхности печатной платы является важной операцией, от которой зависит адгезия наносимых впоследствии слоёв. Поверхность фольги подвергается механической обработке смесью маршалита с полировальной известью и промывается. Затем химическая под- готовка поверхности заключается в обезжиривании в горячем щелочном растворе (сода, Na3PO4 + ПАВ) или в органических растворителях (спирт, ацетон), подтравливают в растворе хромового ангидрида или персульфата аммония и промывка водой. Сушка осуществляется при 80 – 100 0 С в течении 10 минут. В специальном очистителе на основе H2SO4 и ПАВ платы одновременно обезжириваются и частично подтравливаются. Отверстия после сверления подвергаются гидроабразивной обработке для удаления заусенец и насоса эпоксидной смолы с помощью пистолетов – распылителей водной суспензии карбида бора или электрокорунда. Для снятия окислов применяется вращающиеся щетки или круги из нетканого нейлона насыщенные абразивным материалом с одновременной подачей воды. Контроль чистоты производится по полноте смачивания фольги водой. Поверхность диэлектрика для химического осаждения меди подвергают механической обработке – пескоструйной или гидроабразивной с порошком A2O3, затем платы промывают тёплой водой с протиркой щётками. Для получения микро-шероховатостей (для лучшей адгезии слоя меди) и повышения скорости связывания (увеличение функциональных групп) производится химическое модификация - обработка в растворах Cr6+, содержащих Na2Cr2O7 и концентрированной H2SO4. Поверхностный слой диэлектрика частично разрушается с присоединением –OH4 и –OSO3H групп. Затем платы промывают, нейтрализуют и снова промывают.

Практическая часть