Химико-гальванические линии для производства печатных плат

Химико-гальваническая линия (ХГЛ) является центральной в производстве печатных плат и, как правило, оно строится вокруг нее. Состав ХГЛ зависит от многих факторов, и в первую очередь от технологического процесса металлизации, который используется. В зависимости от используемого техпроцесса металлизации конфигурируется состав рабочих ванн. Кроме того определяется требуемая производительность, размер (длина, ширина, глубина) ванн, их материал, тип автооператора, либо его отсутствие (ручные ХГЛ) и т.д. – учитывается масса индивидуальных особенностей конкретного производства. Т.о. каждая ХГЛ проектируется индивидуально и в природе не существует двух абсолютно одинаковых линий. Для обеспечения металлизации печатных плат высокого класса точности в гальванических линиях могут применяться следующие инновационные системы:

• - покачивание плат;
• - безвоздушное перемешивание раствора;
• - вибрационная система;
• - системы фильтрации растворов;
• - реверсивно-импульсные выпрямители;
• - каскадные промывки с установкой на втором каскаде распылительных форсунок;
• - приспособления для фиксации нижней части подвесок;
• - диафрагменные анодные рамы;
• - нерастворимые аноды.

Продолжающаяся тенденция к миниатюризации электронных устройств предъявляет высокие требования к печатным платам.

Одним из важнейших процессов в производстве печатных плат является процесс металлизации отверстий печатных плат, от качества которого зависит надежность работы всего устройства. При этом главной проблемой является металлизация микроотверстий при высоком отношении толщины платы к диаметру отверстия. В настоящее время при изготовлении печатных плат 6-7 классов точности выдвигаются требования металлизации сквозных микроотверстий диаметром 0,15 мм и менее при отношении толщины платы к диаметру отверстия ( aspect ratio) 20:1, а для глухих отверстий такого же диаметра при соотношении 1,2:1.

Для решения этой задачи надо обеспечить соответствующее оснащение химико-гальванической линии и рабочие растворы (химические техпроцессы). В ООО «РТС Инжиниринг» имеется подразделение занимающееся разработкой и изготовлением химико-гальванических линий (ХГЛ) с опытом работы более 8 лет.

Химико-гальванические линии разработки и производства ООО «РТС Инжиниринг» предназначены для вертикального нанесения химических и гальванических покрытий на все виды печатных плат как в ручном, так и в автоматическом режиме. При этом, не уступая по качеству импортным ХГЛ (поскольку используются импортные материалы и комплектующие), ХГЛ отечественного разработчика и изготовителя ООО «РТС - Инжиниринг» значительно выигрывают по ценовым характеристикам.

Существенным преимуществом предложения ООО «РТС - Инжиниринг» является то, что РТС предлагает комплексную поставку: – разработку и изготовление линии, концентраты компании DOW (Shipley), эксклюзивным представителем которой является, отработку и сопровождение технологического процесса (возможна также адаптация заказываемой линии под технологию заказчика, отличную от техпроцесса Dow).

Химико-гальваническая линия, как правило, состоит из двух отдельных линий (Рис.102). Одна линия для химической и предварительной гальванической («затяжки») металлизации отверстий, другая линия для нанесения основной толщины меди и, при необходимости, металлорезиста на рисунок печатных плат. В первую линию может быть так же включен процесс перманганатной обработки отверстий печатных плат, устраняющий наволакивание смолы, полученное при сверлении. Обычно две линии устанавливаются параллельно друг другу, а между ними располагается общий трап обслуживания шириной 1000 мм. Они разрабатываются под необходимую заказчику производительность и выбранный технологический процесс.

Для переноса печатных плат каждая линия оснащена автооператором с точной системой позиционирования, выполненной на PLC контроллере ф. Siemens и лазерном дальномере.

Автооператоры выполнены из нержавеющей стали с покрытием порошковой краской, оснащены мотор-редукторами с антикоррозийной защитой и пультом управления для работы в ручном режиме. Точность системы позиционирования ±2 мм. На ваннах установлены ромбовидные улавливающие опоры, а на катодных штангах их ответная часть, позволяющие скорректировать неточность системы позиционирования.

Линии в зависимости от ширины ванн комплектуются автооператорами консольного или подвесного типа. Автооператоры консольного типа используются при ширине ванн до 1200 мм, автооператоры подвесного типа при ширине более 1200 мм. На рис.103 представлена линия с консольным автооператором.

ХГЛ может быть оснащена системой покачивания, которая служит для перемешивания и прокачки раствора в отверстиях (амплитуда качания ±20-30 мм с частотой 20 двойных ходов/мин) и состоит из рамы из нержавеющей стали с порошковым покрытием, расположенной вдоль линии и электропривода (рис.104). Для обеспечения точности позиционирования в момент опускания/подъема катодной штанги рама покачивания останавливается в среднем положении. Для регулирования частоты покачивания и обеспечения плавности хода применена частотная система управления электродвигателем.

Для перемешивания растворов применяются воздушные (барбатажные) и безвоздушные системы. Воздушные системы применяются при металлизации печатных плат до 5 класса. Основным преимуществом этих систем является простота и дешевизна. Для получения чистого воздуха применяются специальные канальные нагнетатели (Рис.105). Их преимущества это отсутствие масла в воздухе и их автономность (т.е. независимость от центральной компрессорной завода).

Для более равномерного распределения меди на печатных плат и исключения образования пузырьков применяется система безвоздушного перемешивания с использованием эдукторов ( сопел Вентури)(Рис.106).

Система состоит из эдукторов, расположенных на дне ванны и насоса. При подаче насосом одного объема раствора эдуктор захватывает из ванны 4 объема и происходит интенсивное перемешивание раствора.

Преимущества безвоздушного перемешивания:

• - Лучшее перемешивание электролита.
• - Возможность использования более высоких плотностей тока, а значит повышение производительности.
• - Лучшая равномерность покрытия.
• - Снижение потребления добавок.
• - Меньшее испарение из ванн.
• - Более равномерная температура.

С целью удаления пузырьков газов из микроотверстий в химико-гальванических линиях применяются электрические вибраторы (Рис.107). 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. 108). Управление вибраторами осуществляется от компьютера, в программе которого можно установить требуемые время включения и паузы. Вибраторы питаются безопасным для человека переменным напряжением 24 В.

Для постоянной или периодической очистки процессных ванн гальванические линии могут быть укомплектованы автономными фильтровальными установками (Рис.109). Система фильтрации повышает качество обработки печатных плат, увеличивает срок службы растворов и снижает суммарное количество концентрированных жидких отходов, которые необходимо утилизировать. Фильтровальная установка состоит из перекачивающего насоса с магнитной муфтой, фильтра (с фильтрующим наполнителем) и трубопроводной обвязки, выполненных из химически стойких материалов.

В зависимости от состава фильтруемого раствора фильтр может быть выполнен из полипропилена или ПВДФ. Фильтрующий наполнитель для фильтрации от механических примесей изготовлен из полипропилена или ПВДФ. Кроме того, для периодической фильтрации от органических примесей могут быть предусмотрены угольные фильтры.

Для металлизации микроотверстий с соотношением толщины платы к диаметру отверстия от 15:1 и выше рекомендуется применять импульсно-реверсные выпрямители, позволяющие получить равномерное покрытие и исключить бочкообразность металлизированных стенок отверстий.

Преимущества импульсно-реверсных выпрямителей:

• - Отличная рассеивающая способность.
• - Качественное покрытие в отверстиях.
• - Работа при более высокой плотности тока.
• - Меньшее время нанесения покрытия.

Недостатки импульсно-реверсных выпрямителей:

• - Необходимость использования специальных электролитов.
• - Высокая стоимость.

На производительных ХГЛ при относительно небольшом количестве печатных плат высокого класса точности в общем объеме производства целесообразно в линии иметь отдельную ванну, специально оснащенную для изготовления прецизионных печатных плат.

Для качественной отмывки печатных плат от технологических растворов в линиях производства ООО «РТС Инжиниринг» используются 2-х каскадные промывки (Рис.110) с установкой на втором каскаде распылительных форсунок.

При изготовлении печатных плат высокого класса точности важное значение имеет крепление и подвод токоведущих проводов, шин и подвесок к контактам печатных плат. В линии металлизации отверстий используются подвески из нержавеющей стали или титана, а в линии нанесения рисунка на печатных плат такие же подвески, но с покрытием из ПВХ или специального покрытия «Halar» (Рис.111). Все подвески в конце смены должны подвергаться операции стравливания осажденной меди, для чего в линиях предусматриваются специальные ванны.

Для получения равномерного покрытия печатных плат нижняя часть подвесок должна фиксироваться с помощью фиксатора, а пространство между анодами и катодами должно быть разделено мембраной.

Каждая 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 печатных плат;
• - систему местной вытяжной вентиляции (в пределах линии);
• - вспомогательное оборудование (в т. ч. фильтровальное оборудование, выпрямительные агрегаты, оборудование для снабжения сжатым воздухом и пр.);
• - систему автоматизации.

Ванны ХГЛ представляют собой емкости, изготовленные из полимерных материалов (полипропилен (печатных плат), полиэтилен (ПЭ), поливинилхлорид (ПВХ), поливинилденфторид (PVDF)) и/или из стали (углеродистой (Ст), нержавеющей (НЖ)), в зависимости от применяемых рабочих растворов, химически стойкой в условиях эксплуатации. Конструкции ванн выполнены в соответствии с немецким федеральным стандартом DVS 2205 и рассчитаны на 15 летний срок службы.

Толщина стенок ванн 15 мм, дна 20 мм. Ванны имеют фланец толщиной 25 мм для размещения опор ловителей штанг и дополнительного оборудования. Ванны имеют сварной металлический каркас, закрытый полипропиленовым профилем (Рис.112).

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.

Все ванны оборудованы трубопроводной обвязкой (включая необходимые вентили и клапаны) из материалов химически стойких в условиях эксплуатации. Дно ванн имеет уклон в сторону сливных патрубков для обеспечения полного опорожнения.

Ванны с нагревом снабжены специальными ТЭНами (Рис.113.), подобранными с учетом условий эксплуатации, системой автоматического контроля и поддержания температуры раствора, а ванны с температурой раствора выше 50⁰С имеют теплоизоляцию.

Для поддержания температуры раствора ванны гальванического меднения могут быть оборудованы нагревателями (используются в холодное время года) и теплообменниками охлаждения (при интенсивной работе в несколько смен).

Для заполнения глухих отверстий медью в линиях может быть предусмотрена специальная ванна, если это необходимо по условиям используемого техпроцесса.

Металлоконструкции линий включают в себя трап и опорную конструкцию для передвижения автооператоров. Трап (площадка обслуживания) предназначен для передвижения обслуживающего персонала при выполнении технологических операций и обслуживания ванн.

Нескользящий настил выполнен из стеклопластика. Для двух линий предусмотрен единый трап шириной 1 м. Ширина трапа позволяет свободно обслуживать рабочие ванны. Расстояние от верхнего края ванн до трапа не превышает 1000 мм. Под трапом прокладываются трубы систем водоснабжения, воздухоснабжения и промышленной канализации. Трап изготовлен из нержавеющей стали и покрыт порошковой краской. Это обеспечивает повышенную износостойкость и необходимую защиту от коррозии.

Для перемещения обрабатываемых печатных плат при выполнении технологических операций на линиях предусмотрены автооператоры подвесного или консольного типа. Применение таких автооператоров обеспечивает свободный доступ к ваннам, что позволяет без затруднения обслуживать оборудование и брать пробы растворов. Для повышения коэффициента использования линии за счет снижения времени выдержки печатных плат над ваннами, а так же устранения загрязнения ванн, на автооператорах установлены автоматические каплесборные поддоны. Количество автооператоров рассчитывается в соответствии с необходимой производительностью.

Металлоконструкции автооператоров, выполнены из нержавеющей стали с покрытием порошковой краской, оснащены мотор-редукторами с антикоррозионной защитой и пультами управления. Для обеспечения плавности разгона и торможения, в том числе при подъеме и опускании штанги, применяется частотная система управления электродвигателями автооператора. Система позиционирования автооператоров в линиях выполнена на лазерных дальномерах, что обеспечивает высокую точность ±2 мм. Ловители подвесок на ваннах специальной конструкции позволяют скорректировать неточность системы позиционирования.

Все технологические ванны, в том числе ванны теплой проточной промывки, оборудованы бортотсосами местной вытяжной вентиляции (Рис.114).

Местная вентиляция от ванн позволяет удалять кислотно-щелочные испарения и не допускать их попадание в атмосферу производственнных помещений. В стандартном исполнении линии комплектуются бортовыми отсосами, воздушными заслонками для регулировки вытяжной системы и сборными воздуховодами. ХГЛ также могут быть оснащены современными вентиляторами и каплеочистителями (Рис.115). Они просты в управлении и обслуживании и обеспечивают очистку выбросов до 99%.

Сборные воздуховоды изготавливаются из полипропиленовых листов, химически стойких в условиях удаляемых сред. Сечение воздуховода – прямоугольное и/или круглое.

Все технологические ванны рекомендуется оснащать ручными или автоматическими крышками, которые закрываются на время простоя ванны. Это позволяет существенно сократить теплопотери во внерабочее время на ваннах, работающих при температуре выше цеховой, и количество вредных и коррозионно-активных веществ, которые поступают в общий объем помещения во внерабочее время, снизить требуемую производительность общеобменной вентиляции и, таким образом, обеспечить экономию электроэнергии и площадей, занимаемой вентиляционным оборудованием.

В состав поставки может входить следующее оборудование систем местной вытяжной вентиляции:

• - бортовые отсосы на ваннах;
• - гибкие шланги и задвижки для подключения бортовых отсосов к магистральным воздуховодам;
• - сборные (магистральные) воздуховоды вдоль линий;
• - вентиляторы из полимерных материалов (корпус вентилятора изготовлен из полимерных материалов,- полипропилена и/или ПВХ,- в зависимости от модели, рабочее колесо – из стали с полимерным покрытие и/или из полипропилена, что обеспечивает повышенную коррозионную стойкость и долговечность);
• - каплеуловители (позволяют сократить до 99% количество токсичных веществ, поступающих в окружающую среду).

Вентиляционное оборудование можно разместить на металлоконструкциях над линиями.

Ванны электрохимической обработки для питания постоянным током могут быть снабжены катодными и анодными перемещаемыми штангами, индивидуальными выпрямительными агрегатами, подобранными с учетом условий эксплуатации и требований технологии. Для раздельной подачи тока на разные стороны печатных плат используются двойные выпрямители.

Для сокращения энергозатрат ванны воздушной сушки выполненяются с рециркуляцией воздуха. Температура регулируется компьютером.

Система автоматизированного управления линиями состоит из персонального компьютера.

Система осуществляет:

• - 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 технологического процесса;
• - запуск нескольких подвесок по различным программам обработки;
• - автоматическое поддержание температуры;
• - 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 регулировкой времени подачи;
• - автоматическое включение вибраторов на заданное время;
• - визуальное отображение 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.

В состав поставки могут быть включены 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 может поставляться передвижная емкость, оснащенная мешалкой, фильтровальной установкой и системой нагрева.

Для приготовления обессоленной воды 3-й категории по ГОСТ 9.314-90, для приготовления растворов и подачи воды на промывки рекомендуется обратноосмотическая установка (Рис.116) с накопительным баком.

Установка работает в автоматическом режиме «включение-выключение» в зависимости от количества воды в накопительной ёмкости и снабжена необходимой системой КИП и А. Предусмотрен контроль основных показателей процесса обессоливания: электропроводности исходной и очищенной воды, расхода, давления, температуры. Показатель электропроводности выводится на табло микропроцессорного блока визуального контроля (БВК).

Регенерация ионитных фильтров производится в автоматическом режиме согласно показаниям таймеров, расположенных в электронных управляющих клапанах фильтров.

Сокращение водопотребления в линиях осуществляется следующими мероприятиями:

• - использованием в линиях каскадных и струйных промывок;
• - автоматической дозированной подачей воды в промывки при опускании в них подвесок;
• - использованием интенсификации промывок (барботаж или эдукторы).

Сокращение энергозатрат осуществляется путем применения:

• - Рециркуляции горячего воздуха в сушках.
• - Теплоизоляции горячих ванн.
• - Сокращения мощности нагрева растворов в ваннах за счет увеличения времени нагрева.
• - Автоматического включения нагрева во внеурочное время.
• - Частотного регулирования электродвигателей автооператоров.
• - Применением современных выпрямителей на основе импульсной техники преобразования.

Для обеспечения безопасной работы персонала линии должны быть оборудованы:

• - Инфракрасным барьером вдоль линий при пересечении, которого движущиеся части линии останавливаются.
• - Шнуром вдоль линий для экстренного отключения движения автооператора.
• - Датчиком наличия штанги в позиции, для исключения опускания катодной штанги в занятую позицию.
• - Датчиками обрыва ремня автооператора.
• - Датчиками исключающими столкновения автооператоров.
• - Датчиками уровня в ваннах с нагревом, для исключения выхода из строя нагревателей при снижении уровня раствора и исключения деформации и возгорания пластика при отсутствии раствора.
• - Механическими конечными выключателями для исключения аварийной ситуации при несрабатывании индуктивных датчиков позиционирования.
• - Оптической и звуковой сигнализацией нештатной работы линии
• - Малогабаритными вибраторами на напряжение 24 В.

Важнейшим фактором достижения высоких показателей при производстве печатных плат являются используемые концентраты. РТС «Инжиниринг» предлагает химикаты компании Dow, которая является мировым лидером в разработке и производстве химико-гальванической продукции для печатных плат 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 химикатов как Shipley и Rohm and Haas Electronic Materials, которые в данный момент входят в состав Dow.

Компания предлагает весь спектр химико-гальванических технологий, включая, подготовку поверхности перед нанесением СПФ, подготовку поверхности перед прессованием слоев многослойных печатных плат, подготовку стенок отверстий перед металлизацией, различные способы прямой металлизации, нанесение химической меди, нанесение гальванической меди, нанесение гальванического олова и олова-свинца, гальванического серебра, нанесение всех видов финишных покрытий.

Перечисленные технологии Dow включают в себя различные химикаты и концентраты, которые подходят как для производства не сложных печатных плат 1-4 класса точности с соотношением толщины платы к диаметру отверстия (aspect ratio) до 10:1,так и для производства сложных печатных плат 4-5 класса точности с aspect ratio от 10:1 до 15:1, а также самые современные технологии, разработанные для производства печатных плат 6-7 класса точности с соотношением толщины платы к диаметру отверстия 20:1 и выше. Выбор процессов зависит от требований заказчика и номенклатуры изготавливаемых печатных плат. Ниже представлены более подробно некоторые из процессов ф. Dow.

• - Процесс подготовки стенок отверстий печатных плат перед металлизацией «Circuposit 3310» - обеспечивает уникальную шероховатость для очень качественного последующего нанесению хим. меди и гальваники. При своей надежности, процесс очень прост в проведении и аналитике. Его правильное проведение приведет к получению качественной топографии стенок отверстий даже сверхмалых диаметров.
• - Процесс нанесения химической меди «Circuposit 3000-1»- очень надежный само разгоняющийся процесс, который не требует отдельного этапа разгона реакции, что увеличивает скорость процесса, делает его надежным и качественным. Данный процесс является универсальным и подходит как для металлизации простых плат 1-5 класса точности, так и сверхсложных плат 6-7 класса.
• - Процесс гальванического нанесения меди ф. Dow- предлагает несколько технологий гальванического меднения в зависимости от сложности плат, вида оборудования и наличия у заказчика необходимого для аналитики оборудования. Как показывает практика, для изготовления печатных плат 5, 6 и 7 класса точности необходимо использовать для аналитики вольтамперометрию, т.е. CVS анализ. Все технологии гальванической меди ф. Dow имеют уникальное распределение меди в отверстии от 80 до 96%.
• - Ванна гальванического меднения ELECTROPOSIT 1300. Для плат средней степени сложности. Подходит в том числе и для процесса с предварительным меднением прямой металлизацией. Использует ток постоянного напряжения, контролируется ячейкой Хулла.
• - Ванна гальванического меднения COPPER GLEAM HT-55. Для плат средней и высокой степени сложности. Использует ток постоянного напряжения, контролируется CVS.
• - Ванна гальванического меднения COPPER GLEAM CUPULSE. Осаждение с низкой частотой пульсации тока для плат с высокой степенью сложности - 6-7 класса точности.
• - Ванна заполнения глухих отверстий медью MICROFILL TM THF-100. Для плат высокой степени сложности Диаметр отверстий печатных плат 90-100мкм, глубина отверстий 100-150мкм.

Чтобы получить гарантированный результат для металлизации печатных плат 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.

Для реализации мелкосерийного многономенклатурного процесса создания высококачественных печатных плат, в том числе и многослойных,. фирма W L в кооперации с ООО «РТС Инжиниринг» разрабатывает и производит химико-гальванические линии Compacta, как в ручном, так и в автоматическом исполнении под требования технологического процесса заказчика. (Рис.117)

В зависимости от требований техпроцесса в этих линиях применяются различные системы, влияющие на качество обработки плат.

Система Вентури - применяется для эффективного безвоздушного перемешивания растворов при помощи эдукторов, что увеличивает до 5 раз интенсивность прокачки раствора через каждую форсунку. Система перемешивания с эдукторами в рабочих ваннах не дает твердым частицам оседать на дно ванны, где может сформироваться слой шлама, который сокращает срок службы раствора, требует частых замен рабочих растворов, долгих простоев во время очистки дна ванны и применения дорогостоящих насосов.

Не давая оседать "грязи", сохраняя ее в виде суспензии, система с эдукторами облегчает работу фильтровальной системы, установленной на ванну для удаления частиц грязи. Снижение количества пузырьков воздуха (безвоздушное перемешивание) существенно уменьшает количество дефектов металлизации, особенно в глухих и микроотверстиях.

Система вибрации- позволяет проводить эффективное удаление пузырьков воздуха из отверстий, а также обеспечивает лучший обмен раствора в процессе металлизации.

Система сушки - позволяет получить чистую и сухую поверхность печатных плат на выходе из линии.

Модульная конструкция системы Compacta обеспечивает возможность интеграции дополнительных химических процессов в конструкцию системы:

• - удаление наволакивания смолы в зоне торцевого контакта (перманганатная обработка);
• - нанесение адгезионного покрытия (подготовка поверхности перед прессованием).

Последнее время получают все большее распространение техпроцессы горизонтальной гальваники. При выборе этого техпроцесса и оборудования следует иметь в виду, что он требует непрерывной работы, высокой производительности и плохо адаптирован к простоям.