Цель статьи — перед нанесением защитной паяльной маски исследовать влияние различных видов химической подготовки на ее дальнейшую устойчивость после нанесения финишных покрытий.
Валентин Терешкин, к. т. н.
Лилия Григорьева
Юрий Мусихин
Полина Осокина

 

Повышение класса точности печатных плат требует особого внимания к каждой операции процесса их изготовления. Одна из проблем, возникающих при этом,— обеспечение адгезии защитной паяльной маски в условиях, когда, с одной стороны, с увеличением класса точности уменьшается площадь контакта медной поверхности элементов печатной платы и защитной паяльной маски, что влечет за собой определенные трудности. А с другой стороны, когда растворы финишных покрытий агрессивно воздействуют на защитную паяльную маску, чем также создают неблагоприятные условия для обеспечения адгезии.

Как получить и сохранить при нанесении финишных покрытий высокое качество защитной паяльной маски и одно из ее важных свойств — высокую адгезию маски к медной поверхности? Как найти оптимальные решения и не допустить брак на последних операциях технологического процесса? Мы постараемся ответить на эти вопросы, используя результаты проведенной работы в химической лаборатории нашего предприятия.

 

Теоретическая часть

Механическая подготовка поверхности Щеточная зачистка является наиболее популярным и не затратным способом очистки. Но в качестве подготовительного этапа под маску его не используют, так как после обработки на поверхности формируются четко выраженные продольные риски в направлении движения заготовки (рис. 1), куда проникают растворы при нанесении финишных покрытий.

Существует и другой метод — струйная очистка абразивными материалами. Ее преимущества заключаются в отсутствии эффекта однонаправленности поверхности. Абразивным материалом обычно является пемза или оксид алюминия.

Пемза — силикат природного происхождения. Порошок пемзы содержит частицы разных размеров, от самых маленьких, пемзовой пыли, до очень крупных. Кроме того, частицы пемзы склонны к разрушению. Поверхность после пемзовой обработки
наименее шероховатая (рис. 2а), соответственно, обеспечивается низкая адгезия меди к паяльной маске.

Оксид алюминия — искусственный материал с заданными химическими и физическими характеристиками. Размеры частиц имеют меньший разброс, чем у порошка пемзы. К тому же оксид алюминия является более твердым и не разрушается, следовательно, поверхность после обработки становится более шероховатой (рис. 2б), что обеспечивает большую адгезию к паяльной маске, нежели с другими типами механической обработки.

При щеточной зачистке с абразивом площадь поверхности является более развитой и имеет шероховатую топографию. Однако у данного метода присутствуют минусы обоих способов зачистки. На поверхности также наблюдается эффект однонаправленности. Установка щеточной очистки с абразивом требует более частого технического обслуживания по сравнению с установкой обычной щеточной зачистки. Частички абразива могут оставаться на поверхности и в отверстиях, что требует тщательной промывки платы при высоком
давлении воды [1].

Обработку с абразивами можно использовать лишь для печатных плат до 4‐го класса точности.

Химическая подготовка поверхности

Химическая подготовка поверхности, в отличие от механической, обеспечивает создание равномерного микрорельефа по всей поверхности меди.

Рис. 1. Поверхность после щеточной зачистки
Рис. 2. Поверхность после струйной зачистки абразивом: а) пемза
Рис. 2. Поверхность после струйной зачистки абразивом: б) оксид алюминия
Кислотная очистка

 

Печатная плата обрабатывается очистителем для удаления загрязнений органического происхождения, таких как отпечатки пальцев и окислы. Для очистки широко используются кислые очистители, которые выполняют мягкую обработку поверхности без помощи щелочных растворов. Кислые очистители значительно легче удаляются при промывке, чем щелочные, что позволяет сократить расход промывных вод.

 

Микротравление

Назначение этой операции — обновление поверхности меди за счет снятия слоя толщиной около 1 мкм и придание поверхности меди необходимой шероховатости, обеспечивающей максимальную адгезию последующего органического покрытия (защитной паяльной маски). Наибольшую популярность имеют составы на основе персульфата натрия и серной кислоты, модифицированные составы на основе перекиси водорода и серной кислоты, а также на основе органической кислоты. Состав раствора микротравления выбирают в зависимости от конструктива печатной платы и агрессивности самого финишного покрытия, о чем будет сказано ниже.

Декапирование

 

Поскольку после основной обработки в микротравлении площадь поверхности становится более развитой, на плате моментально происходит окисление меди. Ступень декапирования позволяет осветлить покрытие, убирая окислы.

 

Антиокислительная обработка

В последнее время все чаще добавляют четвертый блок обработки — это завершающая стадия антиокислительной обработки в органическом составе для сохранения однородного цвета медной поверхности после обработки на более длительные сроки и увеличения межоперационного срока хранения заготовок.

Исследуемые растворы микротравления

Были проанализированы три основных состава микротравления:

  1. Раствор микротравления на основе персульфата натрия и серной кислоты.
    Наиболее простой и неагрессивный состав, который, соответственно, является самым распространенным на предприятиях. Минус данного раствора заключается в недостаточной шероховатости поверхности (табл. 1), а также в его низкой емкости по меди и быстрой скорости ее накопления. Скорость микротравления зависит от многих факторов, таких как концентрация персульфата натрия и меди, температура и срок работы ванны.
  2. Модифицированный раствор микротравления на основе перекиси водорода и серной кислоты «ММТО‐1232».
    В данном составе емкость по меди увеличена, сама перекись водорода, модифицированная органическими добавками, травит более равномерно, чем персульфат натрия, подготовленная поверхность меди становится более развитой за счет межкристаллитного травления [2].
  3. Модифицированный раствор микротравления на основе органической кислоты «ММТП‐1262».
    Для увеличения шероховатости и максимального межзеренного травления используют составы микротравления на основе органических кислот со специальными добавками. С увеличением класса точности печатных плат, а соответственно, и требований к адгезии меди к защитной паяльной маске данный метод подготовки поверхности становится наиболее актуальным.

 

Исследование морфологии поверхности при помощи атомно-силовой микроскопии

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) основана на измерении силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом микроскопа, закрепленным на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны образца, приводит к изгибу консоли. Регистрируя уровень изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью. Традиционно под силами взаимодействия подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса. Однако в действительности со стороны поверхности также действуют упругие силы и силы адгезии, магнитные и электростатические силы [3].

Для исследования при помощи АСМ образцы подготавливались следующим образом. Образцы стеклотекстолита марки FR‐4 проходили подготовку поверхности: кислотная очистка, микротравление, декапирование, потом образцы покрывались гальванической медью толщиной 30 мкм и гальваническим оловом по технологии «Платамет‐600». Далее имитировались этапы изготовления печатной платы: процессы снятия фоторезиста и удаления металлорезиста. После этого образцы обрабатывались по технологии подготовки поверхности перед нанесением защитной паяльной маски: кислотная очистка, микротравление (три исследуемых состава), декапирование. Время между операцией подготовки поверхности и анализом АСМ не превышало 24 ч.

Исследования АСМ выполнялись на оборудовании STM Solver P47 Pro в полуконтактном (tapping mode) режиме, с использованием кремниевых кантилеверов марки NSG01 с радиусом кривизны зонда ~10 нм. Сканирование проводилось в режиме отображения топографии (рельефа) поверхности в нескольких точках образца и рассматривались наиболее характерные особенности его поверхности. Определение средней шероховатости (Ra) и среднего перепада высот поверхности покрытия осуществлялось по ГОСТ Р 8.700-2010 [4].

 

Определение показателя адгезии с помощью разрывной машины

Для получения показателя адгезии в соответствии с ГОСТ Р 54849-2011 в СПбЦ «ЭЛМА» разработана методика определения показателя адгезии на разрывной машине марки ЭЛ-РЭМ. Результаты, полученные с помощью данного метода,— количественное определение силы отрыва самоклеящейся липкой ленты от подготовленной поверхности меди.

Подготовка образцов осуществлялась аналогично исследованию АСМ, описанному выше. На предварительно подготовленные образцы приклеивалась специальная самоклеящаяся липкая лента (адгезия к стали 44–66 Н/100 мм, ширина ленты 25 мм) таким образом, чтобы между лентой и покрытием не образовывались воздушные пузырьки. На разрывной машине липкая лента отделяется приложением постоянного отрывного усилия перпендикулярно к поверхности образца рис. 3. В это время фиксируется зависимость усилия на отрыв (Н) от перемещения платы (мм). Усилие на отрыв выходит на площадку, числовое значение которой и учитывается как показатель адгезии.

Рис. 3. Определение степени адгезии подготовленной поверхности на установке ЭЛ-РЭМ
Исследование адгезии защитной паяльной маски с помощью метода липкой ленты

Для исследования стойкости защитной паяльной маски в практических условиях использовался метод липкой ленты. Отрыв ленты в данном методе происходит от маски после нанесения финишного покрытия.

Испытание проводились на тест-купонах, изготовленных по ГОСТ 54849-2011 [2] (рис. 4).

В соответствии с техпроцессом проводилась подготовка поверхности меди перед нанесением жидкой защитной паяльной маски по стадиям: кислотная очистка, модифицированное микротравление (три исследуемых состава), декапирование, сушка. Далее проводился процесс формирования защитной паяльной маски «ЭЛМА‐1401» согласно технологической инструкции. Затем наносились финишные покрытия. Исследовалось влияние на защитную паяльную маску следующих видов финишных покрытий: горячее лужение ПОС‐63, иммерсионное серебро, химический никель — иммерсионное золото (ENIG), иммерсионное олово. По п. 6 ГОСТ 54849-2011, определение адгезии проводят на участке А, где проводники скрыты под слоем паяльной маски. По данной методике испытания проводятся на участках F, E и D с открытыми проводниками. Липкая лента приклеивается к поверхности так, чтобы она закрывала все проводники, пузырей быть не должно. Отрывание липкой ленты проводилось перпендикулярно поверхности тест-купона.

После испытания липкая лента проверялась на наличие следов защитной паяльной маски. Исследуемый участок тест-купона осматривался в микроскоп при 10–50‐кратном увеличении на предмет отслоений защитной паяльной маски.

Рис. 4. Тест-купон по ГОСТ 54849-2011
Результаты исследований и обсуждение

Морфология поверхности после обработки при использовании состава микротравления на основе персульфата натрия и серной кислоты, полученная с помощью АСМ, представлена на рис. 5.

Во время обработки поверхность растравливается равномерно, степень вытравливания вглубь мала, средний перепад высот и шероховатость имеют довольно низкие значения (табл. 1).

Таблица 1. Результаты шероховатости медной поверхности и среднего перепада высот, полученные при помощи АСМ-анализа

Наименование подготовки поверхности Средняя шероховатость поверхности, нм Средний перепад высот, нм
Персульфат натрия
и серная кислота
56 300–350
ММТО-1232 на основе
перекиси водорода
и серной кислоты
158 670–700
ММТП-1262 на основе
органической кислоты
262 Свыше 1500

После подготовки медной поверхности с использованием модифицированного состава на основе перекиси водорода и серной кислоты ММТО‐1232 поверхность имеет намного более шероховатый микрорельеф, чем в случае с микротравлением на основе персульфатного раствора (рис. 6).

Увеличение адгезии происходит за счет особого механизма модифицированного микротравления, который позволяет усилить растворение меди по межзеренным границам, выявляя зерна металла. В модифицированном составе микротравления на основе органической кислоты ММТП‐1262 поверхность меди вытравливается вокруг кристаллов настолько глубоко (рис. 7), что площадь поверхности выше по сравнению с модифицированным раствором на основе перекиси водорода.

Шероховатость самая высокая из трех исследуемых составов микротравления (табл. 1). В таблице 1 представлены данные средней шероховатости поверхности и среднего перепада высот, полученные при помощи АСМ, для трех видов подготовки поверхности. Полученные результаты показателей адгезии на разрывной машине ЭЛ-РЭМ представлены на рис. 8 и в таблице 2.

Для сравнения были получены данные показателей адгезии для поверхности гальванической меди без дополнительной подготовки. Показатели адгезии поверхности после обработки раствором персульфата натрия и серной кислоты незначительно превышают показания для поверхности без подготовки.
Адгезия поверхности после подготовки в модифицированном микротравлении на основе перекиси водорода в 2 раза выше адгезии исходной поверхности меди без обработки. Самая высокая адгезия поверхности после обработки в составе модифицированного микротравления на основе органической кислоты — 11 Н/25 мм.
Результаты испытаний на адгезию защитной паяльной маски после нанесения финишных покрытий методом липкой ленты представлены в таблице 3.

На фотографиях таблицы 3 показаны участки тест-купонов с 50‐кратным увеличением с нанесенными финишными покрытиями после отрыва липкой ленты. Для подготовки поверхности на основе персульфата натрия и серной кислоты, после финишных покрытий химического никеля — иммерсионного золота и иммерсионного олова наблюдается отслоение защитной паяльной маски после испытания на адгезию методом липкой ленты. Отслоение защитной паяльной маски наблюдается после нанесения финишного покрытия с иммерсионным оловом
и предварительной подготовкой на основе перекиси водорода. При использовании состава подготовки поверхности на основе органической кислоты защитная паяльная маска устойчива после нанесения всех финишных покрытий.

 

Таблица 2. Усилие на отрыв липкой ленты после испытания адгезии на разрывной машине ЭЛ-РЭМ

Наименование подготовки поверхности Среднее усилие на отрыв, Н/25 мм
Гальванически осажденная медь без подготовки  4,8
Персульфат натрия и серная кислота  5,75
ММТО-1232 на основе перекиси водорода и серной кислоты  9,2
ММТП-1262 на основе органической кислоты 11

Таблица 3. Поверхность тест-купонов с различными финишными покрытиями после испытаний на адгезию методом липкой ленты

Финишное покрытие Наименование подготовки поверхности
Персульфат натрия и серная
кислота
ММТО-1232 на основе перекиси
водорода и серной кислоты
ММТП-1262 на основе
органической кислоты
Горячее лужение ПОС-63
Иммерсионное серебро
Химический никель —иммерсионное золото
Иммерсионное олово
Рис. 5. Морфология поверхности после персульфатного раствора микротравления. Размер участка сканирования 20×20 мкм
Рис. 6. Морфология поверхности после обработки в модифицированном растворе микротравления на основе перекиси водорода и серной кислоты ММТО-1232. Размер участка сканирования 20×20 мкм
Рис. 7. Морфология поверхности после обработки в модифицированном растворе микротравления на основе органической кислоты ММТП-1262. Размер участка сканирования 20×20 мкм
Рис. 8. Испытание на адгезию с помощью разрывной машины
Заключение

Была изучена устойчивость защитной паяльной маски к различным растворам финишных покрытий с тремя видами химической подготовки медной поверхности (табл. 4).

Таблица 4. Результаты исследований

  ПОС-63, ≤ 4-го класса Иммерсионное серебро, ≤7-го класса Химический никель — иммерсионное золото, ≤7-го класса Иммерсионное олово, ≤7-го класса
Персульфат натрия и серная кислота, ≤4-го класса + +
ММТО-1232 на основе перекиси водорода и серной кислоты, ≤7-го класса + + +
ММТП-1262 на основе органической кислоты, ≤7-го класса + + + +

Наименее агрессивными покрытиями по отношению к защитной паяльной маске являются ПОС‐63 и иммерсионное серебро. Однако ввиду некомпланарности финишное покрытие ПОС‐63 может использоваться только для плат не выше 4‐го класса точности вне зависимости от метода подготовки. Иммерсионное серебро можно использовать для плат до 7‐го класса точности, любая химическая подготовка поверхности приемлема. В случае финишного покрытия химический
никель — иммерсионное золото, персульфатной обработки недостаточно, и используется модифицированное микротравление на основе перекиси водорода или на основе органической кислоты. А для процесса иммерсионного оловянирования ввиду агрессивности процесса подходит только предварительная подготовка на основе органической кислоты вне зависимости от класса точности платы.

 

Литература
  1. Терешкин В., Григорьева Л., Фантгоф Ж. Подготовка поверхности и отверстий при производстве печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2006. No 1.
  2. Carana M. Building Strong Bond. Rockwood, 2003.
  3. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Учеб. пособие. М.: Техносфера, 2004.
  4. ГОСТ Р 8.700-2010. «Методика измерений эффективной высоты шероховатости поверхности с помощью сканирующего зондового атомно-силового микроскопа».
  5. ГОСТ Р 54849-2011. «Маска паяльная защитная для печатных плат».
Другие статьи