Современные отечественные гальванические линии для производства печатных плат высокого класса

Cтатья в журнале Технологии в электронной промышленности

Авторы: И.Л.Лейтес - Главный технолог Е.А.Крылов - директор по гальваническому оборудованию С.Ю.Кочетков - Директору по поддержке производства

Продолжающаяся тенденция к миниатюризации электронных устройств повышает требования к печатным платам (ПП). Уже сейчас конструктора разрабатываются ПП 6–7 классов точности.

Одним из важнейших процессов в производстве ПП является металлизация отверстий, от качества которой зависит надежность работы ПП и всегоустройства. При этом главной проблемой являетсяметаллизация микроотверстий при большом отношении толщины платы к диаметру отверстия.

Рис. 1.Химико-гальваническая линия с подвесными автооператорами

Специалисты «РТС Инжиниринг» разрабатывают и изготавливают ХГЛ на основе десятилетнего опыта,полученного при работе с немецкой фирмой Manz Galvanotechnik, и рекомендациях компании DOW (Shipley), поставщика технологических процессов для производства ПП, эксклюзивным представителем которой является «РТС Инжиниринг». ХГЛ, производимые нашей компанией, предназначены для вертикального нанесения химических и гальванических покрытий на все виды ПП как в ручном, так и в автоматическом режиме. Не уступая по качеству и надежности импортным, линии разработки и производства «РТС Инжиниринг» значительно выигрывают по ценовым характеристикам.

В настоящее время при изготовлении ПП 6–7 классов точности выдвигаются требования металлизации сквозных микроотверстий диаметром до 0,1 мм при отношении толщины платы к диаметру отверстия (aspect ratio) 20:1, а для глухих отверстий такого же диаметра — 1,2:1.Для решения этой задачи необходимо иметь соответствующее оснащение химико-гальванической линии (ХГЛ) и рабочие растворы (химические техпроцессы), позволяющие достигать характеристики, соответствующие печатным платам 6–7 классов.

Существенным преимуществом является то, что мы предлагаем комплексную поставку: разработку и изготовление линии, концентраты компании DOW (Shipley), отработку и сопровождение технологического процесса. Наши технологи позволяют адаптировать ХГЛ под необходимую заказчику производительность и выбранный технологический процесс.

Как правило, ХГЛ для производства ПП состоит из двух отдельных линий (рис. 1). Одна предназначена для химической и предварительной гальванической («затяжки») металлизации отверстий, другая — для нанесения основной толщины меди и металлорезиста на рисунок ПП. В первую линию может быть также включен процесс перманганатной обработки отверстий ПП, устраняющий наволакивание смолы, полученное при сверлении.

Рис. 2.Химико-гальваническая линия с консольным автооператором

Рис. 3.Ванна с безвоздушным перемешиванием

Рис. 4.Малогабаритные вибраторы:
а) вибратор установлен на ванне;
б) вибратор установлен на штанге

Рис. 5.Система «наддува-вытяжки»

Для заполнения глухих отверстий медью в линии гальванического нанесения покрытий может быть предусмотрена специальная ванна, если это необходимо по условиям используемого техпроцесса. Обычно две линии устанавливаются параллельно друг другу, а между ними располагается общий трап обслуживания шириной 800–1000 мм.

Для переноса катодных штанг с подвесками, на которых крепятся ПП, линии оснащены автооператорами, количество которых зависит от производительности. В зависимости от производительности и ширины ванн линии комплектуются автооператорами консольного (рис. 2) или подвесного типа.

Для повышения долговечности и сохранения внешнего вида изготавливаются автооператоры из нержавеющей стали с покрытием порошковой краской, оснащаются индуктивными датчиками в пластиковом исполнении и мотор-редукторами с антикоррозийной защитой.

Для работы в ручном режиме используются пульты радиоуправления. Для повышения коэффициента использования линии за счет снижения времени выдержки ПП над ваннами, а так же для устранения загрязнения ванн, на автооператорах установлены автоматические каплесборные поддоны.

Для обеспечения металлизации ПП 6–7 классов точности ХГЛ оснащаются особыми инновационными системами. Рассмотрим их подробнее.

Система покачивания служит для перемешивания и прокачки раствора в отверстиях. Для регулирования частоты покачивания и обеспечения плавности хода применена частотная система управления электродвигателем.

Для перемешивания растворов применяются воздушные и безвоздушные системы.Воздушные используются при металлизации ПП до 5 класса. Основным преимуществом этих систем является простота и дешевизна.Для металлизации отверстий ПП высокого класса точности применяется безвоздушное перемешивание с использованием эдукторов (рис. 3), это позволяет получать более равномерное распределения меди на ПП и исключить образования пузырьков.

С целью удаления пузырьков газов из микроотверстий в химико-гальванических линиях применяются электрические вибраторы (рис. 4). Для повышения эффективности их работы они устанавливаются непосредственно на перемещаемые катодные штанги. Это обеспечивает передачу вибрации с наименьшими потерями по сравнению со схемой, когда вибраторы устанавливаются на борту ванны (рис. 5). Управление вибраторами осуществляется от компьютера, в программе которого можно установить требуемые время включение и паузы.

Для постоянной или периодической очистки процессных ванн ХГЛ оснащены автономными фильтровальными установками, которые повышают качество обработки ППи увеличивают срок службы растворов. Для исключения засорения катодного пространства шламом от анодов пространство между анодами и катодами разделено мембраной.

Для металлизации микроотверстий с соотношением толщины платы к диаметру отверстия от 15:1 и выше «РТС Инжиниринг» в соответствии с рекомендациями компании Dow применяет импульсно-реверсные выпрямители, позволяющие получить равномерное покрытие и исключить бочкообразность металлизированных стенок отверстий.

К преимуществам импульсно-реверсных выпрямителей относятся отличная рассеивающая способность, работа при более высокой плотности тока и меньшее время нанесения покрытия. К недостаткам — необходимость использования специальных электролитов и высокая стоимость.

Рис. 6.Ванна двухкаскадной промывки

Рис. 7.Подвески с покрытием ПВХ

Рис. 8.Ванны полипропиленовые

Рис. 9.Ванна с патронными нагревателями

При относительно небольшом количестве ПП высокого класса точности в общем объеме производства целесообразно в линии иметь отдельную ванну, специально оснащенную для изготовления прецизионных ПП.Большое значение при производстве ПП высокого класса точности имеет качественная отмывка ПП после технологических растворов. «РТС Инжиниринг» использует двух каскадные промывки (рис. 6) с установкой на втором каскаде распылительных форсунок.

Для надежного крепления ПП и подвода к ним тока в линиях химической металлизации применяются специальные подвески из нержавеющей стали, а в линии нанесения рисунка на ПП гальваническим методом такие же подвески, но с покрытием из ПВХ или специального покрытия Halar (рис. 7). Нижняя часть подвесок фиксируется с помощью специального приспособления, что позволяет получить равномерное покрытие на ПП. Все подвески в конце смены должны подвергаться операции стравливания осажденной меди, для чего в линиях предусматриваются специальные ванны.

Рассмотрим конструктивные особенности выпускаемых ООО «РТС Инжиниринг» линий.

Каждая поставляемая линия включает в себя:

ванны с соответствующим технологическим оснащением;
трубопроводную обвязку из полимерных материалов в пределах линии;
металлоконструкции (трап на две линии,опорная металлоконструкция);
оборудование для транспортировки ПП;
систему местной вытяжной вентиляции (в пределах линии);
вспомогательное оборудование (в т. ч. фильтровальное оборудование, выпрямительные агрегаты, оборудование для снабжения сжатым воздухом и пр.);
шкафы управления и систему автоматизации.

Ванны, в зависимости от применяемых рабочих растворов, изготавливаются из различных полимерных материалов (полипропилен (ПП), полиэтилен (ПЭ), поливинилхлорид (ПВХ), поливинилденфторид (PVDF), а так же из нержавеющей стали. Конструкции ванн выполнены в соответствии с немецким федеральным стандартом DVS 2205 и рассчитаны на 15‑летний срок службы. Ванны имеют надежный сварной металлическийкаркас, закрытый полипропиленновым профилем (рис. 8).

Для изготовления пластиковых ванн применяется высококачественный полимерный материал фирм Röchling Engineering Plastics (Германия), Simona AG (Германия), запорная арматура для промышленного применения из полипропилена или ПВХ (пр-во Италия).Сварка пластиковых конструкций выполняется специалистами, прошедшими обучение в Германии и имеющими сертификат на проведение сварочных работ по пластику.

Ванны с нагревом снабжены специальными трубчатыми электронагревателями для гальванических производств (рис. 9), подобранными с учетом условий эксплуатации, а ванны с температурой раствора выше +50 °C имеют теплоизоляцию.

Рис. 10.Вентилятор с каплеотделителем

Рис. 11.Воздушная сушка с рециркуляцией воздуха

Рис. 12.Шкаф с компьютером управления

Рис. 13.Обратноосмотическая установка

Все технологические ванны, в том числе ванны теплой проточной промывки, оборудованы бортовыми отсосами местной вытяжной вентиляции, которая позволяет эффективно удалять кислотно-щелочные испарения. В стандартном исполнении линии комплектуются бортовыми отсосами, воздушными заслонками для регулировки вытяжной системы и сборными воздуховодами.

По желанию заказчика могут быть поставлены современные вентиляторы и каплеотделители производства Германии, выполненные из полипропилена (рис. 10). Они просты в управлении и обслуживании, каплеотделители обеспечивают очистку выбросов до 99%.

Для качественной сушки ПП линия комплектуется ванной воздушной сушки с рециркуляцией воздуха, что сокращает энергозатраты (рис. 11). Температура в сушке задается и регулируется с управляющего компьютера.

В производстве ПП высокого класса точности важное значение имеет соблюдение технологических параметров процессов и исключение субъективных факторов. Поэтому линии комплектуются современной системой управления, которая состоит из персонального компьютера, установленного в специальном шкафу (рис. 12), и контроллера фирмы Siemens.

По желанию заказчика каждая линия может быть оснащена своим персональным компьютером, либо управление двумя линиями осуществляется с одного общего компьютера.

Система управления обеспечивает:

автоматическое перемещение подвесок по программе с регламентированным временем нахождения подвесок в ваннах и над ними (время нахождения подвесок в ваннах может устанавливаться оператором в зависимости от требований технологического процесса);
запуск нескольких подвесок по различным программам обработки;
автоматическое поддержание температуры в ваннах;
управление режимами выпрямителей, в том числе производится суммирование А‑ч, индикация тока и напряжения;
автоматическое дозирование добавок;
автоматическую подачу воды в промывки при опускании в них подвесок с регулиров кой времени подачи;
автоматическое включение вибраторов на заданное время;
визуальное отображение структуры линии с местонахождением автооператора, параметров ванн и времени нахождения подвесок в каждой ванне;
архивирование данных о проведенных операциях и состоянии рабочих процессов;
хранение созданных технологических маршрутов с возможностью их изменения;
выдачу на экран компьютера сообщения о неполадках в работе линии.

Для удобства эксплуатации линии в составе поставки «РТС Инжиниринг» предлагает бочковые насосы, которые предназначены для перекачки растворов из рабочих ванн в ванны временного хранения при профилактических работах (включая периодическую фильтрацию растворов, мытье ванн). Для приготовления растворов предлагается передвижная емкость, оснащенная мешалкой, фильтровальной установкой и системой нагрева.

Для обеспечения линии обессоленной водой третьей категории по ГОСТ 9.314-90, для при готовления растворов и подачи воды на промывки ХГЛ оснащаются обратноосмотической установкой (рис. 13) с накопительным баком.

Важнейшим фактором достижения высоких показателей при производстве ПП 6–7 класса является используемые химикаты. «РТС Инжиниринг» обеспечивает бесперебойную поставку химикатов компании Dow, которая является мировым лидером в разработке и производстве химико-гальванической продукции для ПП и общей гальваники по всему миру. Dow имеет богатейший опыт в производстве химии и разработки новейших технологий, основанный на собственных инновационных исследованиях, а так же опыте технологов таких известных компаний-производителей химикатов, как Shipley и Rohm and Haas Electronic Materials, которые в данный момент входят в состав Dow. Компания предлагает весь спектр химических технологий для производства ПП, включая подготовку поверхности перед нанесением СПФ и перед прессованием слоев МПП, подготовку стенок отверстий перед металлизацией, различные способы прямой металлизации, нанесение химической и гальванической меди, нанесение гальванического олова и олова-свинца, гальванического серебра, а также всех видов финишных покрытий.

Перечисленные технологии Dow включают в себя различные химикаты и концентраты, которые подходят для производства несложных печатных плат 1–4 класса точности с соотношением толщины платы к диаметру отверстия до 10:1, сложных ПП 4–5 класса точности с aspect ratio от 10:1 до 15:1, а также ПП 6–7 класса точности с соотношением толщины платы к диаметру отверстия 20:1 и выше. Выбор процессов зависит от требований заказчика и номенклатуры изготавливаемых ПП. Рассмотрим более подробно некоторые из процессов компании Dow.

Процесс подготовки стенок отверстий ПП перед металлизацией Circuposit 3310 обеспечивает уникальную шероховатость для качественного последующего нанесения химической меди и гальваники. При своей надежности процесс очень прост в технологическом освоении и аналитике. Его правильное проведение приведет к получению качественной топографии стенок отверстий даже в сверхмалых диаметрах (0,1 и 0,05 мм).

Circuposit 3000-1 — очень надежный саморазгоняющийся процесс нанесения химической меди, который не требует отдельного этапа разгона реакции, что увеличивает скорость процесса, делает его надежным и качественным. Данный процесс является универсальным и подходит для металлизации как простых ПП 1–5 класса точности, так и сверхсложных 6–7 класса.

Dow предлагает несколько технологий гальванического меднения в зависимости от сложности плат, вида оборудования для металлизации и наличия у заказчика оборудования, необходимого для аналитики. Как показывает практика, для изготовления печатных плат 5,6 и 7 класса точности необходимо использовать для аналитики вольтамперометрию,то есть CVS-анализ. Все технологии гальванической меди Dow имеют уникальное распределение меди в отверстии от 80 до 96%.

Ванна гальванического меднения ELECTROPOSIT 1300 предназначена для плат средней степени сложности. В том числе она подходит и для процесса с предварительным меднением прямой металлизацией. Использует ток постоянного напряжения, контролируется ячейкой Холла.

Для гальванического меднения плат средней и высокой степени сложности предлагается ванна COPPER GLEAM HT‑55. Использует ток постоянного напряжения, контролируется CVS. В ванне гальванического меднения COPPER GLEAM CUPULSE осуществляется осаждение с низкой частотой пульсации тока для плат 6–7 класса точности.

Ванна заполнения глухих отверстий медью MICROFILL THF‑100 используется для платвысокой степени сложности. Диаметр отверстий ПП 90–100 мкм, глубина — 100–150 мкм. Чтобы получить гарантированный результат для металлизации ПП 6–7 классов целесообразно, чтобы поставщик оборудования комплексно отвечал как за конструкцию и оснащение линии, так и за запуск технологического процесса. То есть, при выборе оснащения заказчику совместно с разработчиком и производителем оборудования целесообразно осуществлять также и выбор технологического процесса металлизации.

Специалисты «РТС Инжиниринг» готовы решать комплексные задачи такого рода. Технологи компании проходят ежегодное обучение на предприятиях Dow в Германии и Швейцарии, что позволяет проводить запуск технологий на новых, модернизированных или на старых (при замене химикатов) ХГЛ. Высокое и неизменное качество и надежность химикатов Dow, инновационное оснащение ХГЛ разработки и производства «РТС Инжиниринг», а так же высокая квалификация технологов гарантируют заказчикам изготовление на этих линиях качественных печатных плат, в том числе и 6–7 класса точности.