В процессе анодирования происходит электролитическая
реакция соединения кислорода с металлом в приповерхностных слоях подложки. При этом металл анода не растворяется, как в случае электроосаждения, а при взаимодействии с кислородом образует плотно сцепленную с подложкой оксидную пленку. Механизм роста пленки заключается в переносе ионов кислорода через растущий оксидный слой под воздействием электрического поля, возникающего в пленке в случае приложения к электродам напряжения от внешнего источника. Скорость роста оксидной пленки зависит от природы электролита, условий проведения процесса – электрического режима и температуры. Толщина оксидной пленки при анодировании пропорциональна количеству электричества, прошедшего через ванну.
В технологии микроэлектроники путем анодирования получают оксидные пленки из тантала и алюминия. При этом сначала на подложку вакуумным методом наносится пленка исходного металла, которая впоследствии подвергается локальному анодированию. Процесс получения оксидных пленок анодированием состоит из первоначальной формовки при постоянной плотности тока и окончательной формовки при постоянном напряжении. Такое ведение процесса обусловлено тем, что с ростом толщины пленки ее возрастающее сопротивление приводит к снижению силы тока.
Особенностью получения анодированных пленок является их рост в условиях приложенного электрического поля, напряженность которого достигает 107 В/см. Такие пленки харктеризуются высокой электрической прочностью, поэтому их используют в качестве изолирующих и диэлектрических слоев.
Вакуумное нанесение пленок тантала и алюминия с последующим анодированием позволяет создавать высококачественные пленочные конденсаторы и изолирующие слои при многослойной разводке. Основным преимуществом при этом является получение различных пленочных структур из одинаковых исходных материалов.
В технологии микроэлектроники анодирование используют также для получения необходимого значения сопротивления пленочных танталовых резисторов путем превращения верхнего проводящего слоя тантала в непроводящий оксид тантала.
Изготовление печатных плат электрохимическим методом.
Назначение печатных плат и способы их изготовления.
Непрерывное развитие всех отраслей приборостроения обусловило значительное расширение области применения электролитических и химических покрытий. Детали из пластмасс с металлическими покрытиями широко используются в радиотехнической промышленности и других областях народного хозяйства. Особо большое значение процессы металлизации полимерных материалов приобрели в производстве печатных плат.
Печатная плата представляет собой плоское изоляционное основание, на одной или на обеих сторонах которого расположены токопроводящие полоски металла (проводники) в соответствии с заданной электрической схемой. Для монтажа на плату радиоэлементов служат отверстия в плате, которые в зависимости от назначения могут быть металлизированы. Металлизированные монтажные отверстия служат также для электрического соединения проводников, расположенных на обеих сторонах платы.
К печатным платам предъявляют ряд существенно важных требований по величине сопротивления изоляции диэлектрических материалов, по точности расположения монтажных отверстий и проводников и т.д. Одним из главных требований, предъявляемых к платам, является достаточная прочность слоя металлизации в отверстиях из диэлектрического материала, а также обеспечение способности к пайке поверхности металлического слоя, что достигается соответствующим выбором гальванического покрытия и технологией металлизации. Поэтому в производстве печатных плат особое внимание уделяется правильному выполнению операций химико-электролитической металлизации диэлектрических материалов и качеству металлических покрытий на проводниках и в отверстиях. Изготовление печатных плат может осуществляться различными способами: вытравливания, электрохими-ческого или химического осаждения, комбинированным.
При электрохимическом (химическом) способе изготовления печатной платы исходным материалом служит нефольгированный диэлектрик, в котором предварительно сверлятся отверстия в соответствии с заданной монтажной схемой. Защитный рисунок схемы наносят таким образом, чтобы открытыми оставались те участки, включая отверстия, которые подлежат металлизации для образования проводников
и контактных площадок. Создание проводниковых слоев осуществляется вначале методом химического осаждения меди, а затем электролитического осаждения меди или других металлов для получения слоя толщиной 35 – 50 мкм.
Гальваническое меднение
Гальваническое меднение является важнейших операций технологического производства плат. Гальваническим осаждением меди создается необходимый по толщине слой металла в отверстиях и на проводниках печатной. Качество медного слоя, его распределение по толщине определяют качество металлизации и экономические показатели производства. Минимальная толщина слоя меди в отверстиях определена в 25 мкм. При малых толщинах меди металлизированные отверстия получаются механически непрочными и после нескольких перепаек деталей легко разрушаются. Кроме того, при малой толщине слой меди бывает очень пористым, в результате чего в процессе пайки через поры проникают газообразные продукты из диэлектрика и водяные пары, что влечет за собой плохую смачиваемость припоя и недоброкачественную пайку выводов радиодеталей в отверстиях. Характерной особенностью меднения печатных плат является наличие большого количества отверстий, подвергаемых металлизации, поэтому электролиты меднения должны обладать хорошей рассеивающей способностью и в тоже время допускать применение повышенной плотности тока в цепях интенсификации процессов.
Наличие фоторизистов или защитных красок, которые могут взаимодействовать с электролитом, что влечет за собой накопление вредных примесей органических веществ. Основным фактором, определяющим выбор электролита, является отношение толщины платы к диаметру отверстий, что имеет особое значение при меднении многослойных печатных плат, когда число слоев может доходить до 20, а толщина платы до 5 мм.
В производственной практике используют сульфатный, борфтористоводородный и пирофосфатный электролиты.
В пирофосфатном электролите медь находится в виде сложного комплекса K6 Cu(P2 O7 )2 , который образуется при добавлении избытка пирофосфата калия по реакции
Cu2 P2 O7 + 3 K4 P2 O7 ® 2K6 Cu(P2 O7 )2
Пирофосфатный комплекс и свободный пирофосфат калия являются основными компонентами электролита. В качестве добавочных компонентов вводятся соли азотной кислоты и аммиак. Введение нитратов способствует повышению анодной
плотности тока, препятствуя разряду водородных ионов, которые связываются на катоде в ионы NH4 + по реакции
NO3 - + 10H+ + 8e ® NH4 + + 3H2 O
Катионы аммония содействуют более интенсивному растворению медных анодов, препятствуя образованию пассивных пленок.
Равномерное осаждение меди на поверхности платы и на отверстиях может быть обеспечено при постоянной подаче свежего электролита. При жестком закреплении платы на катодной штанге, совершающей возвратно– поступательное движение обеспечивается хороший обмен электролита в отверстиях. Наиболее характерный дефект медного осадка, возникающий из-за плохого перемешивания, заключается в образовании грубых «подгорелых» и шероховатых слоев меди в отверстиях.
Так же важен хороший контакт платы с подвеской и подвески с катодной штангой. Ухудшение контакта в любой из указанных точек приводит к тому, что толщина меди на данной плате оказывается меньше расчетной. Потеря контакта влечет за собой частичное или полное растворение меди, осевшей в начальный период электролиза. Это явление происходит из=за того, что медненная поверхность платы, не будучи поляризована катодно, становиться анодом по отношению к соседним платам, имеющим хорощий контакт с катодной штангой. Для обеспечения хорошего контакта всех плат необходимо, чтобы платы присоединялись к подвеске с помощью резьбового соединения, а контактирующая часть подвески и штанги периодически очищались от окислов.
Печатные платы, подвергающиеся меднению, являются всегда источником попадания органических примесей в электролит вследствие наличия на их поверхности защитных красок, лаков, фоторезистов и других органических материалов.
Органические примеси обуславливают образование блестящих и полублестящих полос на медной поверхности, получение более напряженных хрупких осадков меди, растрескивающихся при термоударах.
Удаление накапливающихся со временем органических примесей производят периодической или непрерывной фильтрацией электролита через активированный уголь. Пирофосфатные электролиты, будучи щелочными и нагретыми до температуры 60 - 80°С, более агрессивно воздействуют на органические материалы и более нуждаются в обработке активированным углем.
Гальванические покрытия.
Гальваническое осаждение различных металлов на проводники и стенки металлизированных отверстий применяются в следующих целях:
1. Получения стойкого в травильных растворах покрытия для защиты проводников и металлизированных отверстий от вытравливания.
2. Обеспечение пайки радиоэлементов на платы с применением малоактивных (некоррозионных) флюсов.
3. Получение покрытия с минимальным переходным сопротивлением для контактируемых элементов печатной платы в виде так называемых печатных разъемов, переключателей и т.п. Практическое применение в производстве печатных плат нашли следующие виды покрытий: сплав олово – свинец, серебро, золото, палладий.
Сплав олово – свинец. Сплав олово – свинец, содержащий олово в количестве 60 ± 5% является самым дешевым и эффективным покрытием в производстве плат. Это покрытие хорошо защищает от вытравливания проводники и стенки отверстий при использовании в качестве травителей растворов на основе персульфата аммония или хлорита натрия. Покрытие сплавом олово – свинец, будучи оплавлено, обладает наилучшей способностью к пайке по сравнению с другими видами
покрытий, что является очень важным при монтаже на плату радиокомпонентов и их групповой пайке на «волне» расплавленного припоя ПОС-60.
Для обеспечения указанных выше свойств принимается толщина покрытия 12 – 15 мкм. Для электролитического осаждения сплава могут использоваться различные типы электролитов: фторборатные, кремнистофторводородные, фенолсульфоновые. Однако наиболее простыми в приготовлении и стабильными в работе являются фторборатные. Основным требованием, предъявляемым к электролиту для получения сплава, является максимальное постоянство состава сплава, осажденного как на поверхности платы, так и в отверстиях. Состав сплава при электролитическом осаждении значительно зависит от катодной плотности тока и чем она выше, тем больше содержится более электроотрицательного металла. При покрытии плат плотность тока в отверстиях в 3 – 4 раза меньше, чем плотность тока на поверхности. Обеспечить постоянство состава сплава при различных плотностях тока можно введением добавок поверхностно-активных веществ и применением электролита с повышенной концентрацией борфтористоводородной кислоты. Наличие в электролите двух поверхностно-активных веществ способствует также улучшению рассеивающей способности, что позволяет получить разброс покрытий по толщине в пределах 5 – 10%.
Попадание в электролит ионов меди в качестве примеси, что встречается в практике в результате плохой промывки при переносе плат из ванны меднения в ванну покрытия сплавом, ухудшает способность покрытия к пайке. Наличие в электролите мельчайших частиц пыли и других металлических загрязнений приводит к повышенной пористости покрытий. Пористость создает возможность кислороду проникать до меди и окислять ее, вследствие чего сокращается период хранения плат до выполнения операций пайки. Оплавление покрытий решает несколько проблем. Оно обуславливает получение истинного сплава типа припоя ПОС 60, устраняет пористость покрытия и,
кроме того, расплавленный металл в процессе оплавления стекает на оголенные боковые участки проводника, образовавшиеся после травления.
Оплавление покрытия из сплава олово – свинец производят погружением в горячее масло или глицерин, однако более эффективным является нагрев с помощью инфрокрасного излучения в установках, в которых перемещаются транспортером через камеру, оборудованную достаточно мощным источником инфракрасного излучения. Перед оплавлением платы подвергают флюсованию, а для удаления остатков флюса после оплавления платы тщательно промывают водой.
Покрытие золотом проводников печатной платы является хорошей защитой от вытравливания при использовании любых травильных растворов. Однако применение золотого покрытия для этой цели не оправдано из-за высокой стоимости золота.
Золотое покрытие применяют только для той части некоторых плат, которые служат конечными контактами (ламелями) печатных разъемов. Толщина слоя золота на ламелях должна быть достаточной, чтобы обеспечить стойкость против истирания при многократных сочленениях платы с соединительной колодкой, в которой происходит контактирование ламелей с пружинящими контактами. При толщине золотого покрытия 2 – 3 мкм обеспечивается 800 – 1000 сочленений плат с соединительной колодкой. С целью исключения возможности диффузии меди в золотое покрытие и ухудшения в результате этого переходного электрического сопротивления на медный проводник наносят подслой никеля толщиной 9 – 12 мкм. Никелевое покрытие должно быть гладким, поэтому целесообразно осаждать его в электролитах блестящего никелирования.
Для золочения применяют кислые электролиты, приготовленные из золота в виде дицианаурата KAu(CN)2 .
Покрытие серебром используется в качестве защитного покрытия проводников и металлизированных отверстий наряду с покрытием сплавом олово – свинец.
Недостатком серебряного покрытия является не только его дефицитность и высокая стоимость, на и снижение сопротивления изоляции диэлектриков из-за способности серебра мигрировать в диэлектрические материалы. Серебряные покрытия значительно хуже поддаются пайке, чем оловянно-свинцовый сплав, поэтому при монтаже радиокомпонентов серебряные проводники на платах принято обслуживать горячим способом сплава ПОС-60. Осаждение серебра производится обычно в цианистых или дицианаргентатных электролитах, которые будучи сильнощелочными, в значительной степени разрушают фоторезисты, краски и т.п. материалы, используемые для защиты пробельных мест.
Заключение
Микроэлектроника основана на комплексном использовании физических, химических, технологических и других исследований. Основным достижением микроэлектроники является создание принципиально новых технологических процессов на основе применения различных полупроводниковых, диэлектрических и проводящих материалов. Изделия микроэлектроники - интегральные микросхемы, большие интегральные схемы и др.,стали основной современной базой микроэлектронной аппаратуры, отличающейся высокой надежностью и технико-эксплуатационными характеристиками, низкой стоимостью.
Список литературы
1. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. «Основы микроэлектроники».
2. Беленький М.А., Иванов А.Ф. «Электроосаждение металлических покрытий».
3. Березин А.С., Мочалкина О.Р. «Технология и конструирование интегральных микросхем».
4. Гинберг А.М. «Технология гальванотехники».
5. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. «Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность».
6. Ермолаев Ю.П., Пономарев М.Ф., Крюков Ю.Г. «Конструкции и технология микросхем».
7. Ильин В.А. «Металлизация диэлектриков»
8. Лайнер В.И. «Современная гальванотехника». (1967 год)
9. Лайнер В.И. « Справочное руководство по гальванотехнике».
10. Эндерлайн Р. «Микроэлектроника для всех».
29-04-2015, 04:01