Травление проводящего рисунка современных многослойных печатных плат

Жизнь не стоит на месте, а в нашей отрасли так просто несется со скоростью экспресса. Явно выраженный мировой тренд - миниатюризации РЭА. Появление НТД, в том числе отечественных, специфицирующих новые классы многослойных печатных плат (6-й и 7-й) , разработка и появление на рынке новых технологических приемов и моделей оборудования заставляет непрерывно вести обсуждение вопросов технологических последовательностей формирования и методов травления проводящего рисунка многослойных печатных плат. Но сначала попробуем договориться о терминах.

Основными, используемыми в производстве печатных плат, методами формирования рисунка являются позитивный и негативный методы.

Позитивный метод (Рис.43) предполагает использование позитивных фотошаблонов (черное – там, где должны быть проводники). Его называют еще «комбинированным позитивным», так как в процессе гальванической металлизации кроме меди высаживается еще один металл – металлорезист.

Рис.43. Комбинированный, позитивный (полуаддитивный) метод формирования рисунка.

В РФ зачастую это эвтектика олово\свинец, которую в последствии, после оплавления, используют в качестве паяемого покрытия. В последнее время, там где необходимо соблюдение требований директивы ROHS это, как правило, чистое олово. Этот металл при травлении используется, как металлорезист и после травления удаляется. Паяемое покрытие формируется отдельным техпроцессом. Другое название этого метода - полуаддитивный ( от английского additive – дополнительный), имея в виду, что проводник формируется в процессе металлизации не полностью, а только частично.

Часть его толщины формируется за счет фольги ламината, а часть выращивается в процессе металлизации. И в итоге общая толщина равна сумме толщин фольги и гальванической металлизации на поверхности. Причем в условиях использования токомерной фольги определяется главным образом последней (гальваникой), и, чаще всего, лежит в интервале 40-70 мкм.

Негативный метод ( Рис.44) предполагает использование негативных фотошаблонов (пробельные участки там, где должен остаться металл). Еще его называют субтрактивным ( от английского subtract – вычитать) так как формирование рисунка происходит путем вытравливания («вычитания») не входящих в рисунок участков меди.

Рис.44. Негативный (субтрактивный) метод формирования рисунка на слоях

Рис. 45. Тентинг

Разновидностью этого метода относящегося к формированию наружных слоев многослойных печатных плат (или Двухпечатных плат в целом так как у них нет внутренних слоев) является тентинг (Рис.45) (от английского tenting - устанавливать шатер) – так как при этом методе отверстия для предохранения от стравливания металлизации закрываются «крышками» или «тентами», формируемыми из фоторезиста.

Рис. 46. Фактор травления (Ф)

Ранее позитивный (полуаддитивный) метод считался способным формировать более прецизионный рисунок, чем негативный (тентинг) метод. Однако с появлением травильных машин, обеспечивающих высокий фактор травления (до 5-6 на толщинах меди 30 мкм и более) и высокую равномерность травления по полю заготовки (Infinity NEO ф. Шмид и аналогичных), а также широкого использования сквозных отверстий малого диаметра - позитивный метод, (особенно учитывая его многооперационность), утратил свои преимущества по сравнению с негативным («тентингом»).

Теперь о способах травления рисунков. В производстве печатных плат чаще всего используются два способа травления – кислое и щелочное. Не вдаваясь глубоко в химизм процесса, следует отметить, что оба метода реализуются через окисление нейтральной (металлической) меди в одновалентную медь, с той только разницей, что при кислом травлении это происходит в кислой среде (рН ≈3), а при щелочном – в щелочной среде (рН ≈ 8,5).

При этом формирование рисунка внутренних слоев (без переходных отверстий), как правило проводится субтрактивным методом и также может быть реализовано как кислым, так и щелочным травлением. Наружные слои (когда просверлены переходные отверстия) изготавливаются, как комбинированным позитивным, так и тентингом (субтрактивным) методом. Причем тентинг, как уже было сказано, может быть реализован, как кислым так и щелочным травлением, а позитивный метод – только щелочным травлением (так как металлорезист является маской только для щелочного травителя).

Рис.47. Блок интермиттирующего травления
с индивидуальным управлением форсунками

Главной характеристикой прецизионности печатных плат является параметр линия/зазор (их ширина). Еще одной существенной характеристикой операции травления, является т.н. «фактор травления» - степень вертикальности боковых стенок проводника в поперечном сечении. (Рис.46.). Обе эти характеристики взаимосвяаны.

Особенности процесса щелочного травления не позволяют получить фактор травления больше 2,5-3, в то время как кислым травлением удается получить фактор травления в диапазоне 4-6. Для печатных плат 6-го и особенно 7-го класса точности это имеет значение.

В процессах травления существенное влияние затрудняющее формирование прецизионного рисунка оказывают следующие технологические факторы:

- затрудненный отвод отработанного раствора с верхней поверхности заготовки – «эффект лужи»;

- затрудненный отвод отработанного раствора в местах параллельно идущих проводников с малым зазором «эффект шлейфа»;

- разнотолщинность гальванической меди по площади заготовки (краевой эффект гальванической металлизации);

- малое значение фактора травления.

Разработчики оборудования для прецизионного травления оснащают его различными приспособлениями снижающими проявление этих факторов. Так на рынке появились травильные установки с автоматическим поддержанием постоянства состава травильного раствора по плотности, «редокс-потенциалу», значению рН. Для снижения «эффекта лужи» применялись системы:

Рис 48. Проводники сформированные кислым
травлением на горизонтальной травильной машине

- TFS (Turbulence Free Spray) - попеременная импульсная подача рабочего травильного раствора из линеек форсунок расположенных по краям конвеера вдоль направления движения заготовок (разработки ф. Resco).

- вакуумное травление - вакуумное отсасывание отработанного рабочего травильного раствора с верхней плоскости заготовки (разработки ф. Шмид и ф. Pill) (в настоящее время практически все производители травильного оборудования предлагают оснащение установок травления системами вакуумного отсасывания отработанного рабочего травильного раствора - т.н. «вакуумное травление»);

- програмируемое (интермиттирующее) травление – дополнительный блок, обеспечивающий дотравливание по всей поверхности заготовки с учетом разнотолщинности слоя меди, (разработки ф. Шмид, Депельтроник и др).

В последнее время ф. Шмид представила две инновационные разработки: блок интермиттирующего травления с индивидуальным управлением форсунками (Рис.47.) и установку сверпрецизионного травления с вертикальным конвеером (Рис.49.) позволяющие снижать проявление всех трех вышеописанных факторов.

Рис.49. Установка вертикального травления.

Горизонтальная травильная установка с блоком показанным на рис.47 и традиционным кислым травителем позволяет получать рисунок с параметром линия/зазор - 50/50 мкм на толщине меди 35 мкм с фактором травления – 5 (Рис.48).

Особенности работы блока:

• Сопла могут управляться напрямую от ПК.
• Большая гибкость в производстве
• Нет ограничений в формате плат
• Возможно травление двух рядом лежащих плат
• Улучшенное качество травления
• Оптимальная форма полива для каждого формата платы
• Однажды разработанные программы запоминаются и при необходимости загружаются вновь.

Рис. 50. Проводники сформированные травлением на вертикальной травильной машине.

Вертикальная травильная установка (рис 49) с использованием «оксфордского травильного раствора» (вариация кислого травильного раствора) позволяет получать рисунок с параметром линия/зазор - 20/20 мкм и менее на толщине меди 17 мкм с фактором травления – 6 (Рис.50).

Особенности работы:

• Травление до 20\20 мкм.
• Бесконтактное перемещение.
• Нет «лужи».
• Нет выноса рабочег раствора.
• Форсунки строго напротив друг друга.
• Вся инфраструктура установки в закрытых объемах.

В 2015 году фирма Шмид презентовала обновленную горизонтальную травильную машину - INFINITY-NEO, дооснастив ее новым блоком вакуумного травления, а также другими приспособлениями, позволившими стабильно получать при травлении параметр линия\зазор 40\40 мкм (реально до 30\30 мкм) на толщинах меди 30 мкм. В связи этим фирмой Шмид принято решение рекомендовать для производства печатных плат только горизонтальную установку INFINITY-NEO. Вертикальную машину рекомендуется использовать только в полупроводниковом производстве.

Возможность получения высоких значений «фактора травления» делает кислое травление (а вместе с ним негативный метод, и «тентинг», как одну из его разновидностей) очень привлекательным для получения прецизионного проводящего рисунка. Напомню, что при этом негативный метод («тентинг») обладает еще рядом неоспоримых преимуществ.

1. Короткий техпроцесс. Это связано главным образом с отсутствием в технологической цепочке операций связанных с необходимостью наносить, а потом снимать металлорезист.

2. Высокое качество гальванического осадка. При тентинге процесс гальванической металлизации происходит по всей поверхности заготовки, когда на ней нет фоторезиста. Отсутствие больших масс органического вещества в ваннах гальванической металлизации позволяет легко формировать высоко пластичный медный осадок в металлизированных отверстиях, что существенно повышает надежность печатной платы, особенно при групповой пайке принятой в технологии поверхностного монтажа.

3. Постоянная величина тока при гальванической металлизации - определяемая постоянной площадью металлизации из-за отсутствия рисунка. Это очень удобно в условиях многономенклатурного производства и устраняет возможность субъективных ошибок оператора - при установке режимов линии гальванической металлизации, а также технологов - при подготовке производства и расчете площади металлизации и выравнивающих рамок

4. Высокое качество поверхности под паяльную маску – так как на поверхности меди отсутствуют остатки металлорезиста, которые могут приводить к ухудшению адгезии паяльной маски. Наличие остатков металлорезиста типовой и трудно контролируемый дефект при позитивной технологии, приводящий к ухудшению адгезии паяльной маски, в том числе и при работе по, все еще широко распространенном в отечественной практике, варианту без снятия металлорезиста (ПОС 61) в случае использования его и в качестве паяемого покрытия..

5. Единая методика формирования внутренних и наружных слоев. Внутренние слои всегда изготавливаются негативным (субтрактивным) методом. Использование единой техники изготовления наружных и внутренних слоев – существенно упрощает организацию производства.

6. Одна программа сверления. Тот факт, что металлизация отверстий при тентинге происходит по сплошной заготовке, позволяет до металлизации просверлить, как металлизированные, так и не металлизированные (как правило это крепежные) отверстия. В последствии при фотолитографическом формировании рисунка отверстия, которые не должны иметь металлизацию не тентируются (в фотошаблоне наружного слоя) и металлизация из них удаляется при операции травления. Это сокращает техпроцесс и увеличивает точность совмещения массивов не металлизированных и металлизированных отверстий с рисунком наружного слоя.

7. По сравнению с позитивным процессом, в котором в качестве металлорезиста используется сплав олово-свинец , существенным преимуществом тентинга является отсутствие свинца в стоках. В последнее время, правда, этот металлорезист повсеместно вытесняется чистым оловом.

8. Отсутствие ванны металлорезиста (снижение издержек на приобретение компонентов рабочих растворов, оловянных или олово-свинцовых анодов и т.п.) и оборудования для снятия металлорезиста.

Главным недостатком тентинга (а именно этот вариант негативного метода конкурирует с комбинированным позитивным процессом) является, как многие считают, худшая по сравнению с позитивным методом прецизионность. В первой части этого раздела я попытался доказать, что возможность получения больших значений фактора травления в сочетании с использованием передового технологического оборудования делает тентинг очень привлекательным (с учетом всех его положительных свойств) для изготовления печатных плат с прецизионным рисунком.

Во второй части раздела хотелось бы остановиться на еще одном процессе, в существенной мере снижающем (или компенсирующем), еще один недостаток негативного метода – увеличенный расход меди (анодов).

Рис.51. Установка регенерации кислых медно-хлоридных
травильных растворов Mecer.

Этим процессом является регенерация травильного раствора. Утилизация использованных травильных растворов является большой проблемой для производства печатных плат, особенно в современных условиях постоянного ужесточения экологических требований.

Регенерация же позволяет организовать замкнутый производственный цикл и, имея на выходе процесса хорошо ликвидную чистую медь, в значительной мере компенсировать производственные издержки. Не следует забывать, что регенерация также позволяет поддерживать постоянство состава травильного раствора, обеспечивая воспроизводимые условия травления для реализации прецизионного проводящего рисунка.

Однако если регенерация щелочного травильного раствора давно и успешно освоена, то промышленные процессы регенерации кислого травильного раствора освоены относительно недавно. Поскольку регенерация кислого травильного раствора технически значительно более сложная и связана с проблемой борьбы с выделением газообразного хлора.

Фирма Сигма (Швеция) (практически единственная на рынке) предлагает промышленную установку регенерации травильного раствора и промывных вод установки травления (Рис. 51).

Жидкостная экстракция и процесс электролиза являются основой данного метода регенерации медно-хлоридного раствора (процесс Mecer). Он состоит из следующих технологических этапов:

• Жидкостная экстракция:Сu2+ + 2RH(орг) = CuR2(орг) + 2H+, где RH(орг) – восстановленный органический реагент MX 80
• Извлечение меди из органического раствора в сернокислый электролит:СuR2(орг) + 2H+ = 2RH(орг) + Сu2+,где RH(орг) – восстановленный органический реагент MX 80

Система Mecer имеет 4-е замкнутых цикла:

• - цикл травильного раствора
• - цикл фирменного органического реагента марки MX 80
• - цикл промывочной воды
• - цикл сернокислого электролита.

Система Mecer позволяет:

• - значительно снизить потребление химикатов для раствора травления;
• - значительно снизить производственные затраты на утилизацию травильных растворов;
• - извлекать из отработанного травильного раствора электролитическую медь высокой чистоты (99,995%);
• - обеспечивать стабильность параметров процесса травления.

Хочу надеяться, что изложенная в этом разделе информация поможет производственникам, изготовителям печатных плат в организации и внедрении техпроцесса изготовления прецизионных печатных плат ( 6 -7 классов точности) с использованием всех преимуществ тентинг процесса.