Нанесение сухого пленочного фоторезиста

От фоторезиста очень часто требуется высокое разрешение, а это достигается только на однородных, без проколов пленках фоторезистов, имеющих хорошее сцепление с фольгой. Вот почему предъявляются такие высокие требования к предыдущим операциям. Необходимо свести до минимума содержание влаги на плате или фоторезисте, так как она может стать причиной проколов или плохой адгезии. Все операции с фоторезистом нужно проводить в помещении при относительной влажности не более 50 %. Для удаления влаги с поверхности платы применяют сушку в термошкафах.

В зависимости от применяемого фоторезиста существуют несколько методов нанесения фоторезиста на поверхность фольгированного диэлектрика. Жидкий фоторезист наносится методом окунания, полива, разбрызгиванием, электростатическим распылением с последующей сушкой при температуре 40⁰ С в центрифуге до полного высыхания. Такая сушка обеспечивает равномерность толщины слоя. Сухие пленочные фоторезисты наносятся ламинированием.

При применении жидкого фоторезиста необходимо обеспечивать высокую равномерность наносимого слоя по заготовке и исключать потерю фоторезиста. Известны установки нанесения жидкого фоторезиста валковым способом с последующей сушкой теплонагревателями. Этот способ обеспечивает равномерную толщину фоторезиста на заготовках с предварительно просверленными отверстиями.

Более производительной является заготовка нанесения жидкого фоторезиста способом медленного вытягивания заготовки с заданной скоростью из объема фоторезиста. При этом обеспечивается толщина наносимого слоя фоторезиста в 3-4 мкм. Такая установка может обрабатывать заготовки размерами от 70х80 мм до 500х500 мм, при объеме ванны 0,35 м³, скорости вытягивания заготовки 0,143-0,430 м/мин, температуре сушки 35-120⁰ С, времени сушки 20 мин и производительности 75 шт/ч.

Для повышения защитных свойств жидкого фоторезиста после экспонирования и проявления проводят его термическое дубление. Для этой цели используют шкафы с электрокалорифером. При температуре нагрева камеры до 150 ⁰ С цикл дубления длится 4-4,5 ч. Более эффективным является применение установок дубления фоторезиста в расплаве солей.

Для экспонирования рисунка схемы рекомендуются установки с равномерным световым потоком по всей площади светокопирования, невысокой рабочей температурой ламп для предотвращения перегрева фотошаблона.

Возрастающие требования к точности и качеству схем, необходимость автоматизации процессов и рост объемов выпуска плат привели к замене жидких фоторезистов сухим пленочным фоторезистом (СПФ). Широкое внедрение сухопленочных фоторезистов привело к тому, что все ведущие предприятия-изготовители печатных плат в настоящее время располагают всем необходимым технологическим и контрольным оборудованием для их применения.

СПФ состоит из слоя полимерного фоторезиста, помещенного между двумя защитными пленками. Для обеспечения возможности нанесения сухопленочных фоторезистов на автоматическом оборудовании пленки поставляются в рулонах. На поверхность заготовки СПФ наносится в установках ламинирования. Адгезия СПФ к металлической поверхности заготовок обеспечивается разогревом пленки фоторезиста на плите до размягчения с последующим прижатием при протягивании заготовки между валками. Установка снабжена термопарой и прибором контроля температуры нагрева пленки фоторезиста. На установке можно наносить СПФ на заготовки шириной до 600 мм со скоростью их прохождения между валками 1,0-3,0 м/мин. Фоторезист нагревается до температуры 110-120⁰ С. В процессе нанесения одну защитную пленку с фоторезиста удаляют, в то время как другая остается и защищает фоторезист с наружной стороны.

В данном технологическом процессе применяем сухой пленочный фоторезист СПФ-2, наносимый на ламинаторе КП 63.46.4.

В данном случае рисунок схемы получают методом фотопечати. Для этого перед нанесением фоторезиста заготовку необходимо выдержать в сушильном шкафу при температуре 75±5⁰ С в течение 1 часа, затем последовательно на обе стороны заготовки нанести фоторезист, обрезать ножницами излишки по краям платы, освободить базовые отверстия от фоторезиста, выдержать заготовки при неактиничном освещении в течение 30 мин при температуре собрать пакет из фотошаблона и платы, экспонировать заготовки в установке экспонирования КП 6341, снова выдержать заготовки при неактиничном освещении в течение 30 мин при температуре 18±2⁰ С, проявить заготовку в установке проявления АРС-2.950.000, затем промыть платы в мыльном растворе, промыть заготовки в холодной проточной воде в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С, декапировать заготовки в 20%-ном растворе серной кислоты в течение 1 мин при температуре 20±2⁰ С, снова промыть заготовки в холодной проточной воде в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С, сушить заготовки сжатым воздухом. После этого следует проконтролировать проявленный рисунок. После экспонирования заготовки, перед проявлением, необходимо удалить пленку, защищающую фоторезист.

Нанесение защитного лака

Лак наносится для того, чтобы защитить поверхность платы от процесса химического меднения. Лак обычно наносится окунанием в ванну с лаком, поливом платы с наклоном в 10-15⁰ или распылением из пульверизатора. Затем плата сушится в сушильном шкафу при температуре 60-150⁰ С в течение 2-3 ч. Температура сушки задается предельно допустимой температурой для навесных электрорадиоэлементов, установленных на печатную плату.

Лак для защитного покрытия должен обладать следующими свойстами: высокой влагостойкостью, хорошими диэлектрическими параметрами (малыми диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь), температуростойкостью, химической инертностью и механической прочностью.

При выборе лака для защитного покрытия следует также учитывать свойства материалов, использованных для изготовления основания печатной платы и для приклеивания проводников, чтобы при полимеризации покрытия не произошло изменения свойств этих материалов.

Существуют различные лаки для защитного покрытия, такие как лак СБ-1с на основе фенолформальдегидной смолы, лак Э-4100 на основе эпоксидной смолы, лак УР-231 и другие.

В данном технологическом процессе в качестве защитного покрытия будем применять лак СБ-1с. Для нанесения лака на поверхность заготовки необходимо окунуть заготовки в кювету с лаком на 2-3 сек, температура лака должна быть в пределах 18-25⁰ С, а затем следует сушить заготовки в термошкафе КП 4506 в течение 1,5 часов при температуре 120⁰ С.

Сверловка отверстий

Наиболее трудоемкий и сложный процесс в механической обработке печатных плат - получение отверстий под металлизацию. Их выполняют главным образом сверлением, так как сделать отверстия штамповкой в применяемых для производства плат стеклопластиках трудно. Для сверления стеклопластиков используют твердосплавный инструмент специальной конструкции. Применение инструмента из твердого сплава позволяет значительно повысить производительность труда при сверлении и зенковании и улучшить чистоту обработки отверстий. Чаще всего сверла изготавливают из твердоуглеродистых сталей марки У-10, У-18, У-7. В основном используют две формы сверла: сложнопрофильные и цилиндрические. Так как стеклотекстолит является высокоабразивным материалом, то стойкость сверл невелика. Так, например, стойкость тонких сверл - около 10 000 сверлений.

При выборе сверлильного оборудования необходимо учитывать такие особенности, как изготовление нескольких миллионов отверстий в смену, диаметр отверстий 0,4 мм и меньше, точность расположения отверстий 0,05 мм и выше, необходимость обеспечения абсолютно гладких и перпендикулярных отверстий поверхности платы, обработка плат без заусенцев и так далее. Точность и качество сверления зависит от конструкции станка и сверла.

В настоящее время используют несколько типов станков для сверления печатных плат. В основном это многошпиндельные высокооборотные станки с программным управлением, на которых помимо сверлений отверстий в печатных платах одновременно производится и зенкование или сверление отверстий в пакете без зенкования.

Широко применяется также одношпиндельный полуавтомат, который может работать как с проектором, так и со щупом. На станке можно обрабатывать заготовки плат максимальным размером 520х420 мм при толщине пакета 12 мм. Частота вращения шпинделя 15 000-30 000 об/мин (изменяется ступенчато). Максимальный диаметр сверления 2,5 мм.

Более производительным является четырехшпиндельный станок с программным управлением, на котором можно одновременно обрабатывать одну, две или четыре (в зависимости от размера) печатных плат по заданной программе. Станок обеспечивает частоту вращения шпинделя 10 000-40 000 об/мин, максимальную подачу шпинделя 1000 об/мин, толщину платы или пакета 0,1-3,0 мм, диаметр сверления 0,5-2,5 мм. Регулировка частоты вращения шпинделя бесступенчатая.

Разработан специальный полуавтоматический станок с программным управлением, предназначенный для сверления и двустороннего зенкования отверстий в МПП. Станок имеет позиционную систему программного управления с релейным блоком и контактным считыванием. Полуавтомат имеет два шпинделя - сверлильный и зенковальный. Частота вращения первого бесступенчато может изменяться в пределах 0-33 000 об/мин, второй шпиндель имеет постоянную частоту вращения 11 040 об/мин. На станке возможно вести обработку плат размером 350х220 мм, толщиной 0,2-4,5 мм. Максимальный диаметр сверления 2,5 мм, зенкования - 3,0 мм. Скорость подачи шпинделей: сверлильного - 1960 мм/мин, зенковального - 1400 мм/мин.

Совершенствование сверлильного оборудования для печатных плат ведется в следующих направлениях: увеличения числа шпинделей; повышения скорости их подачи и частоты вращения; упрощения методов фиксации плат на столе и их совмещение; автоматизации смены сверла; уменьшения шага перемещения; увеличение скорости привода; создание систем, предотвращающих сверление отверстий по незапрограммированной координате с повторным сверлением по прежней координате; перехода на непосредственное управление станка от ЭВМ.

Сверление не исключает возможности получения отверстий и штамповкой, если это допускается условиями качества или определяется формой отверстий. Так, штамповкой целесообразно изготавливать отверстия в односторонних платах под выводы элементов и в слоях МПП, изготавливаемых методом открытых контактных площадок, где перфорационные окна имеют прямоугольную форму.

В данном технологическом процессе сверление отверстий будем производить на одношпиндельном сверлильном станке КД-10. Необходимо обеспечивать следующие режимы сверления: 20 000-25 000 об/мин, скорость осевой подачи шпинделя 2-10 мм/мин.

Перед сверлением отверстий необходимо подготовить заготовки и оборудование к работе. Для этого нужно промыть заготовки в растворе очистителя в течение 1-2 мин при температуре 22±2⁰ С, промыть заготовки в холодной проточной воде в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С, промыть заготовки в 10% растворе аммиака в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С, снова промыть заготовки в холодной проточной воде в течение 2-3 мин при температуре 18±2⁰ С, подготовить станок КД-10 к работе согласно инструкции по эксплуатации, затем обезжирить сверло в спирто-бензиновой смеси, собрать пакет из трех плат и фотошаблона, далее сверлить отверстия согласно чертежу. После сверления необходимо удалить стружку и пыль с платы и продуть отверстия сжатым воздухом. После этого следует проверить количество отверстий и их диаметры, проверить качество сверления. При сверлении не должно образовываться сколов, трещин. Стружку и пыль следует удалять сжатым воздухом.

Химическое меднение

Химическое меднение является первым этапом металлизации отверстий. При этом возможно получение плавного перехода от диэлектрического основания к металлическому покрытию, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. Процесс химического меднения основан на восстановлении ионов двухвалентной меди из ее комплексных солей. Толщина слоя химически осажденной меди 0,2-0,3 мкм. Химическое меднение можно проводить только после специальной подготовки - каталитической активации, которая может проводиться одноступенчатым и двухступенчатым способом.

При двухступенчатой активации печатную плату сначала обезжиривают, затем декапируют торцы контактных площадок. Далее следует первый шаг активации - сенсибилизация, для чего платы опускают на 2-3 мин в соляно-кислый раствор дихлорида олова. Второй шаг активации - палладирование, для чего платы помещают на 2-3 мин в соляно-кислый раствор дихлорида палладия. Адсорбированные атомы палладия являются высокоактивным катализатором для любой химической реакции.

При одноступенчатой активации предварительная обработка (обезжиривание и декапирование) остается такой же, а активация происходит в коллоидном растворе, который содержит концентрированную серную кислоту и катионы палладия при комнатной температуре.

В нашем случае процесс химического меднения состоит из следующих операций: обезжирить платы в растворе тринатрий фосфата и кальцинированной соли в течение 5-10 мин при температуре 50-60⁰ С; промыть платы горячей проточной водой в течение 1-2 мин при температуре 50-60⁰ С; промыть платы холодной проточной водой в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С; декапировать торцы контактных площадок в 10%-ном растворе соляной кислоты в течение 3-5 сек при температуре 18-25⁰ С; промыть платы холодной проточной водой в течение 1-2 мин при температуре 18-25⁰ С; промыть платы в дистиллированной воде в течение 1-2 мин при температуре 18-25⁰ С; активировать в растворе хлористого палладия, соляной кислоты, двухлористого олова и дистиллированной воды в течение 10 мин при температуре 18-25⁰ С; промыть платы в дистиллированной воде в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С; промыть платы в холодной проточной воде в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С; обработать платы в растворе ускорителя в течение 5 мин при температуре 20±2⁰ С; промыть платы в холодной проточной воде в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С; произвести операцию электрополировки с целью снятия металлического палладия с поверхности платы в течение 2 мин при температуре 20±2⁰ С; промыть платы горячей проточной водой в течение 2-3 мин при температуре 50±2⁰ С; протереть поверхность платы бязевым раствором в течение 2-3 мин; промыть платы холодной проточной водой в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С; произвести визуальный контроль электрополировки (плата должна иметь блестящий или матовый вид, при появлении на плате темных пятен, которые не удаляются во время промывки, необходимо увеличить время электрополировки до 6 мин); произвести операцию химического меднения в течение 10 мин при температуре 20±2⁰ С; промыть платы в холодной проточной воде в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С; визуально контролировать покрытие в отверстиях.

Снятие защитного лака

Перед гальваническим меднением необходимо снять слой защитного лака с поверхности платы. В зависимости от применяемого лака существуют различные растворители. Некоторые лаки возможно снять ацетоном.

В данном технологическом процессе защитный лак будем снимать в растворителе 386. Для этого платы необходимо замочить на 2 часа в растворителе 386, а затем снять слой лака беличьей кистью, после этого промыть платы в холодной проточной воде в течение 2-3 мин при температуре 20±2⁰ С, контролировать качество снятия защитного лака (на поверхности лака не должны оставаться места, покрытые пленками лака).

Гальваническая затяжка

Слой химически осажденной меди обычно имеет небольшую толщину (0,2-0,3 мкм), рыхлую структуру, легко окисляется на воздухе, непригоден для токопрохождения, поэтому его защищают гальваническим наращиванием (“затяжкой”) 1-2 мкм гальванической меди.

Для этого необходимо декапировать платы в 5%-ном растворе соляной кислоты в течение 1-3 сек при температуре 18-25⁰ С, промыть платы в холодной проточной воде в течение 2-3 мин при температуре 18-25⁰ С, зачистить платы венской известью в течение 2-3 мин при температуре 18-25⁰ С, промыть платы в холодной проточной воде в течение 2-3 мин при температуре 18-25⁰ С, снова декапировать заготовки в 5%-ном растворе соляной кислоты в течение 1-3 сек при температуре 18-25⁰ С, промыть платы в холодной проточной воде в течение 1-2 мин при температуре 20±2⁰ С, промыть платы в дистиллированной воде в течение 1-2 мин при температуре произвести гальваническую затяжку в течение 10-15 мин при температуре 20±2⁰ С, промыть платы холодной проточной водой в течение 1-2 мин при температуре 18-25⁰ С, сушить платы сжатым воздухом при температуре 18-25⁰ С до полного их высыхания, контролировать качество гальванической затяжки (отверстия не должны иметь непокрытий, осадок должен быть плотный, розовый, мелкокристаллический).