Прецизионное травление печатных плат

Травление меди для формирования рисунка проводников является одной из основных операций в производстве печатных плат. Травильные растворы, с помощью которых осуществляется эта операция, должны удовлетворять следующим требованиям:
– в состав раствора должны входить дешевые и доступные материалы;
– раствор должен регенерироваться для утилизации меди и поддержания параметров травления;
– величина бокового подтравливания проводников при травлении в растворе должна быть минимальной;
– раствор не должен воздействовать на диэлектрическое основание печатной платы и на металлорезист.
Травление заготовок печатных плат бывает погружным или струйным.
В процессе травления проводников схемы кроме вертикального травления, т. е. травления по глубине, происходит также и горизонтальное травление, так называемый боковой подтрав. На производстве всегда желательно уменьшить боковое подтравливание, чтобы добиться прямоугольной формы сечения вытравленного проводника.
Основное преимущество погружного травления — это равные условия травления для сторон заготовки. По всей заготовке наблюдается одинаковый боковой подтрав, и скорость травления примерно одинаковая при условии перемешивания раствора и перемещения заготовки в растворе. Но при этом обмен раствора на поверхности заготовки очень маленький, а боковой подтрав большой. Процесс травления как в ширину, так и в глубину идет с одинаковой скоростью.
Такие условия травления при изготовлении прецизионных печатных плат не устраивают производство. Задача конструктора при конструировании оборудования для травления печатных плат добиться наибольшей скорости травления в глубину, а не в сторону — под металло или фоторезист.
Струйный метод травления является наиболее эффективным как по скорости процесса, так и по снижению величины бокового подтравливания. Операция травления обычно осуществляется в конвейерных установках, в которых на заготовки печатных плат, перемещаемых по транспортеру, сверху и снизу направляются струи травильного раствора.
Рассмотрим этапы струйного травления медной поверхности, покрытой защитным резистом.
Начало процесса травления (рис. 1): поверхность меди уже покрыта резистом, защищающим будущий проводящий рисунок печатной платы. Здесь травящая среда орошает, травит и удаляет те участки меди, на которые не нанесено резистивное покрытие.

Рис. 1. Начало процесса травления

Следующие этапы (рис. 2 и 3) показывают дальнейший ход этого процесса.

Рис. 2. Травление поверхности меди. Микроподтрав боковых сторон печатного проводника под резист

Рис. 3. Продолжение травления медной поверхности и боковых сторон (ребер) печатного проводника

На этапе 3 (рис. 3) травящая среда глубоко проникла под резист, вытравливая медь на боковых сторонах печатного проводника под резистом.
Этап 4 (рис. 4). Медь здесь уже полностью удалена до базового материала, но для того, чтобы уверенно гарантировать разделение смежных печатных проводников, а также, чтобы исключить ситуации, когда остатки меди локально уменьшают расстояние между печатными проводниками, процесс травления продолжается дальше. Медь удаляется главным образом из-под резиста, и здесь в наибольшей степени проявляется эффект бокового подтрава, характерный слегка вогнутым внутрь, трапециевидным поперечным сечением печатного проводника.

Рис. 4. Сквозное протравливание поверхности меди. Боковой подтрав торцов (ребер) печатного проводника

Для оценки качества травления используется такое понятие как фактор травления. Этот параметр отражает отношение толщины протравленного медного проводника к максимальной величине бокового подтрава по одной стороне (рис. 4).

Ф = H/L,

где Ф — фактор травления (или коэффициент бокового подтравливания), H — толщина меди, L — боковой подтрав.
Традиционно фактор травления для травильных машин, выпускаемых за рубежом 2…2,5. Чем больше фактор травления, тем меньше подтрав и тем более тонкие проводники можно воспроизводить. На фактор травления оказывают влияние параметры травильного раствора и конструкция оборудования. Рассмотрим основные принципы, которые заложены в прецизионное травление.
Увеличить фактор травления можно, увеличив скорость травления в глубину и уменьшив скорость бокового подтравливания за счет использования пограничных режимов травления. Так при травлении меди с поверхности заготовок необходимо поддерживать состав раствора с содержанием меди меньше 70 г/л (но не ниже 65 г/л) при рН = 7,8…8, либо больше в интервале 100…110 г/л. При таких режимах происходит первоначальное травление меди, затем его быстрый останов с дальнейшей пассивацией медной поверхности. При повышении давления на форсунках, мощная струя нового травильного раствора подается на медную поверхность постоянно, пассивация медной поверхности до конца не успевает завершиться. Таким образом, травление меди в глубину будет происходить непрерывно. Условия образования пассивационной пленки на меди складываются лучше на тангенсальном направлении травления, где затруднен обмен травильного раствора. Таким образом, происходит уменьшение бокового подтравливания, что приводит к увеличению фактора травления.
На поверхности платы сверху создаются неодинаковые условия травления по сравнению с нижней стороной. Снизу заготовки травильный раствор, контактирующий с медной поверхностью, под воздействием силы тяжести легко отводится. Поэтому по всей ширине конвейера с нижней стороны заготовки (при условии одинакового расхода на форсунках) условия травления одинаковы и везде будет одинаковое значение величины бокового подтрава.
На поверхности заготовки сверху собирается лужа и, чем выше расход травильного раствора, тем больше его собирается в центре заготовки. Скорость травления по краям заготовки будет больше, чем в центре, так как помимо раствора, подаваемого через форсунки непосредственно на края, происходит еще отвод раствора от центра заготовки к периферии.
Таким образом, скорости травления на верхней поверхности заготовки сверху сильно отличаются. Чем больше площадь заготовки, тем сильнее проявляется этот эффект.
Для устранения вышеназванного негативного момента и достижения равномерного травления по всей верхней плоскости заготовки печатной платы были применены вакуумные отсосы травильного раствора с поверхности заготовки. При этом попытки некоторых фирм (например, фирмы PILL) ввести вакуумные отсосы приводили к залипанию на них заготовок печатных плат. Предлагаемые нами системы вакуумных отсосов с высокой степенью разряжения не приводят к залипанию заготовок на конвейере. Такие вакуумные отсосы встраиваются в приводные ролики на конвейере и называются гидродинамическими. За счет этих вакуумных отсосов травильный раствор, подводимый к каждому ряду форсунок, после истечения полностью удаляется, а новая порция травильного раствора каждый раз бьет по сухой поверхности заготовки. Так были достигнуты абсолютно одинаковые скорости травления как снизу, так и сверху заготовки.
За счет применения мощных насосов (5 кВт) и уменьшения расстояния от форсунки до поверхности платы, энергия и давление струи травильного раствора в момент контакта с поверхностью заготовки печатной платы увеличивается. При проведении опытно-конструкторских работ на специальном испытательном стенде было выбрано оптимальное расстояние от форсунки до медной поверхности с учетом угла распыления форсунки так, чтобы соседние струи пересекались не более чем на 15…20%.
Отдельно были проведены стендовые испытания вакуумных насосов, применяемых в установке травления. Упор делался на простоту конструкции, на отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание этих насосов и на их долговечность. В результате были выбраны вакуумные насосы Вентури (струйные насосы), которые используются для перемешивания травильного раствора внутри ванны установки травления и одновременно решают две задачи — обеспечение одинаковой температуры по всему объему бака установки травления и создание вакуума на вакуумных отсосах.
Таким образом, в одной установке при понижении активности травильного раствора удалось достичь такой же скорости травления, как и при применении высокоактивных растворов травления, которые обладают большим боковым подтравом. Увеличение мощности насосов, увеличение давления подачи раствора, скомпенсированное малой активностью травильного раствора, позволило достигнуть нормальной скорости травления и подавить боковой подтрав.
Описываемая установка имеет производительность такую же, как и стандартное оборудование, но при этом позволяет прецизионно травить печатные платы.
Особенностью данного комплекса является то, что при травлении в пограничных составах раствора, когда растворы уже неустойчивы, на разделе фаз медь — раствор появилась необходимость жестко поддерживать состав раствора, рН, концентрацию меди и температуру раствора.
Точное поддержание параметров раствора обеспечивается применением новой системы регенерации.
Принцип работы такой системы регенерации — органическая экстракция из медно-аммиачного комплекса меди с помощью органического экстрагента, который после разрушения медноаммиачного комплекса насыщается ионами меди. В дальнейшем для обеспечения возврата чистого органического экстрагента в рецикл для регенерации аммиачного травильного раствора, происходит разрушение экстрагента с медью раствором серной кислоты. Ионы меди переходят в раствор серной кислоты. При достаточном накоплении меди в растворе серной кислоты, электролит подвергается электрохимической регенерации, где медь в виде особо чистой меди высаживается на катодах. Процесс гальванического осаждения меди из травильного раствора и стадия экстракции ионов меди из аммиачного раствора травления разделены. Процесс электрохимического восстановления меди никак не влияет на скорость травления.
Применение специальных высокоточных датчиков измерения плотности раствора травления позволяет с точностью ±2 г/л поддерживать содержание меди в травильном растворе.
В установке регенерации применяется специальный экстрагент, серийно выпускаемый для промышленной добычи меди. Он является крупнотоннажным продуктом, и его стоимость не сильно влияет на себестоимость процесса регенерации меди.
Описываемый процесс регенерации значительно отличается от традиционных процессов, применяемых в процессе производства печатных плат. В традиционном процессе регенерация меди происходит непосредственно в гальванической ванне. Этот процесс ступенчатый, он не может быть непрерывным. Момент отбора травильного раствора для регенерации может сильно влиять на концентрацию меди в ванне травления. Этого можно избежать, применяя дополнительные буферные емкости на входе и выходе регенерируемого раствора. Но применение таких емкостей приведет к удорожанию оборудования и неудобствам в эксплуатации.
Одно из достоинств применения описываемого комплекса прецизионного травления, состоящего из травильного модуля и системы регенерации — органической экстракции — простота эксплуатации. Эта простота заключается в полной автоматизации процесса. Запуск процессов травления и регенерации происходит с одной кнопки. Все режимы подбираются автоматически. Технологу до начала травления необходимо только ввести толщину фольги на поверхности заготовки. Установка автоматически выставит оптимальные режимы для получения прецизионного рисунка.
Коррекция травильного раствора для поддержания рН происходит автоматически жидким аммиаком непосредственно при травлении. При работе установки каждый квадратный метр печатной платы уносит около 200 мл раствора. Если не корректировать травильный раствор водным раствором аммиака, то придется добавлять воду для пополнения уровня, что вносит дополнительные сложности в поддержание постоянного состава раствора.
Газообразный аммиак не используется, т.к. является взрывоопасным газом, и его применение в технологическом процессе требует отдельных помещений для его хранения. Также возникают дополнительные сложности с доставкой баллонов с газообразным аммиаком.
Установка травления имеет герметичную конструкцию для минимизации уноса аммиака в процессе травления. Вытяжная вентиляция подключена через автоматический клапан для автоматического поддержания рН.
В процессе работы установки происходит регенерация не только травильного раствора, но и аммиачной промывки. Травление во всем комплексе, включающем медно-аммиачную камеру и аммиачную промывку, постоянное, независимое от загрузки оборудования. Учитывая, что процесс непрерывный, содержание меди в аммиачной промывке поддерживается не более 6 г/л. Если не проводить регенерацию аммиачной промывки, то она в очень короткий промежуток времени при средней загрузке загрязняется ионами меди и превращается в травильный раствор. В этом случае скорость травления суммарно всего комплекса меняется, и технологу приходиться подбирать другие скорости травления во избежание повышения бокового подтрава.
Так как скорость травления всегда постоянна, можно применять автоматические погрузчики-разгрузчики, т.е. процесс происходит практически без участия персонала.
С учетом рассмотренных выше требований к установкам травления прецизионных печатных плат для уменьшения бокового подтрава и повышения фактора травления спроектирована серия установок с активированной вертикальной составляющей Frezer Style (рис. 5). Высокотехнологичные линии вобрали в себя самые передовые решения, обеспечив качество обработки заготовок, полный контроль процесса, обслуживание без простоев и оригинальный дизайн. Установки серии Frezer Style идеально подходят для травления узких зазоров и формирования проводников с минимальным размером и допуском по ширине.

Рис. 5. Линия Frezer Style. Общий вид

Применение динамической системы контроля и поддержания плотности и состава раствора травления в комплекте с экстракционной системой извлечения излишней меди из состава медноаммиачного травильного раствора «СЭМАР» (рис. 6) позволяют достичь минимального бокового подтрава проводников схемы при сохранении производительности линии за счет увеличения вертикальной составляющей обработки при пограничных режимах травления.

Рис. 6. Установка СЭМАР: а) общий вид спереди; б) общий вид сзади

Благодаря конструкции динамических прижимных валов с вакуумным отсосом раствора происходит быстрое удаление травильного раствора («лужи») с поверхности обрабатываемой заготовки (рис. 7). Тем самым обеспечиваются лучшие результаты при большой толщине фольги (фактор травления до 5).
Управление установкой серии Frezer Style осуществляет PLC-контроллер с сенсорным экраном (рис. 8), на котором выполняются все настройки, например, выставляется толщина медной фольги, и отслеживается состояние всех элементов установки и режимов травления. Вывод установки на рабочий режим производится автоматически. Все подключения — вода для промывки, вода для охлаждения, слив промывных вод, слив раствора — осуществляются в одной зоне доступа.

Рис. 7. Камера травления с вакуумным удалением раствора с поверхности заготовок

Рис. 8. Стойка управления. Контроль установки осуществляет PLC контроллер

Для удобства и технологичности использования в установках серии Frezer Style предусмотрено следующее:
– независимая регулировка давления по рядам форсунок (рис. 9);
– предотвращение разворотов заготовок (положение на выходном конвейере соответствует входному);
– форсунки с байонетным креплением обеспечивают быстроту их демонтажа/монтажа при профилактических работах (рис. 10). Коллектора обслуживаются без разбора установки (рис. 11);
– система датчиков для измерения площади обрабатываемой заготовки и управления режимом экономии воды и электроэнергии (рис. 12);
– возможность обработки тонких заготовок и заготовок малого размера благодаря конструкции конвейера: ролики на смежных валах взаимно смещены, что позволяет обеспечить минимально возможное расстояние между валами (рис. 13);
– автоматическая система контроля и поддержания рН. Автоматическая система дозирования корректирующего раствора (рис. 14);
– система поддержания температуры в рабочих камерах.
– насосы повышенной мощности в комплекте со щелевыми и специальными форсунками, обеспечивающие наиболее подходящую для данного процесса струю раствора (рис. 15);
– двойные прозрачные крышки из минерального стекла с датчиком открытия (рис. 16);
– многоступенчатая система фильтрации обеспечивает чистоту форсунок в процессе эксплуатации и способствует равномерности процесса травления;
– все баки снабжены системой контроля уровня раствора, связанной с системой управления, для обеспечения надежной работы насосов. – – Все баки имеют также окна для визуального контроля уровня раствора;
– автоматическая система управления клапаном вытяжки и система улавливания паров для уменьшения уноса аммиака в вытяжную вентиляцию (рис. 17);
– модуль горячей сушки (рис. 18).
Установка СЭМАР обеспечивает регенерацию раствора медно-аммиачного травления печатных плат и аммиачной промывки. Система состоит из двух основных модулей: экстракционного и электролизного (рис. 19).

Рис. 9. Независимая регулировка давления на рядах форсунок в основной камере

Рис. 10. Быстросъемные форсунки с байонетным креплением

Рис. 11. Новая конструкция основного коллектора. Время демонтажа коллектора 30 с

Рис. 12. Счетчик площади

Рис. 13. Конвейер

Рис. 14. Автоматическая система поддержания и дозирования корректирующего состава для рабочих растворов

Рис. 15. Насосы и фильтры повышенной производительности (5 кВт — нижний коллектор; 5 кВт — верхний коллектор)

Рис. 16. Двойные прозрачные крышки из минерального стекла с датчиком открытия

Рис. 17. Система улавливания паров

Рис. 18. Модуль горячей сушки

Рис. 19. Принципиальная схема регенерации щелочных растворов травления печатных плат

Экстракционный блок обеспечивает экстракцию меди из травильного раствора и аммиачной промывки с последующим переводом меди из органической фазы в водный раствор серной кислоты.
Электролизный блок обеспечивает электровыделение металлической меди из сернокислого электролита.
Экстракционные аппараты включаются в технологическую схему по принципу «перетракции», разработанном и опробованном ранее в РХТУ им. Д. И. Менделеева. Этот принцип подразумевает под собой транспорт ионов меди из одного водного раствора в пространственно отделенный от него другой водный раствор, не смешивающимся с ними органическим экстрагентом (свободной жидкой мембраной). При этом, в отличие от классической жидкостной экстракции, органическая фаза не является накопителем ионов меди, а выступает лишь в роли переносчика, извлекая ионы из одной водной фазы и отдавая их в другую.
При щелочном травлении заготовок печатных плат у технологов возникает вопрос: А как же хлор? Он ведь будет выделяться?
Для этого приведем химизм процессов травления и регенерации, которые происходят в установках Frezer Style и СЭМАР.

1. Травление меди.
а) CuCl₂ + 4NH₄OH →    4Cu(NH₃)₄Cl₂ + 4H₂O

б) 2Сu⁰ + 2Cu(NH₃)₄Cl₂ → 4Cu(NHH₃)₄Cl
 плата

в) 4Cu(NH₃)₄Cl + O₂ + 4NH₄Cl +4NH₄OH → 4Cu(NH₃)₄Cl₂ + 6H2O

2Сu⁰ + O₂ + 4NH₄Cl + 4NH₄OH → 2Cu(NH₃)₄Cl₂ + 6H₂O
 плата

2. Экстракция.
4HR + 2Cu(NH₃)4Cl₂ + 4H₂O → 2CuR₂ + 4NH₄Cl + 4NH₄OH
органическая органическая
фаза фаза

3. Реэкстракция.
2CuR₂ + 2H₂SO₄ → 2CuSO₄ + 4HR
органическая органическая
фаза фаза

4. Электролиз.
Катод: 2CuSO₄ + 4 e → 2Cu + 2SO₄^2-

Анод: 2H2O – 4 e → O₂↑ + 4H+

Общая реакция: 2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂↑ + 2H₂SO₄

Процесс: ТРАВЛЕНИЕ + ЭКСТРАКЦИЯ + РЕЭКСТРАКЦИЯ + ЭЛЕКТРОЛИЗ

2Сu⁰ + O₂ + 2H₂O → 2Сu⁰ + 2H₂O + O₂↑
плата катод

РЕЗУЛЬТИРУЮЩАЯ РЕАКЦИЯ
Сu⁰ → Сu⁰
плата катод

Из уравнений реакций видно, что хлор выделяться не будет, он находиться всегда в связанном состоянии.
Из приведенных данных по механизму регенерации следует, что экстракционно-электрохимическая схема, несмотря на многостадийность процесса, обеспечивает полную регенерацию травильного раствора. Под полной регенерацией следует понимать то обстоятельство, что из-за отсутствия побочных процессов не затрачиваются компоненты рабочего раствора.
Установка СЭМАР предназначена для:
– поддержания постоянства состава медно-аммиачного травильного раствора;
– автоматической регенерации с извлечением металлической меди из травильного раствора;
– автоматической регенерации с извлечения меди из раствора аммиачной промывки;
– демпфирования колебаний концентрации меди при импульсной загрузке травильной машины с большим количеством стравливаемой меди в короткий промежуток времени;
– специализированной регенерации медно-аммиачных травильных растворов с выделением чистой металлической меди в региональных центрах.
Преимущества:
– постоянное поддержание состава травильного раствора с высокой точностью;
– отсутствие отходов травильного раствора и аммиачной промывки;
– предотвращение попадания ионов меди в промывные воды;
– не требуются специальные добавки в травильный раствор;
– особо чистая медь, получаемая в результате экстракции (99,99%).

Комплекс установок Frezer Style и СЭМАР прошли опытную 2-х годовую эксплуатацию на ФГУП «ГРПЗ» г. Рязань. При опытной эксплуатации проводились сравнительные испытания по качеству травления (величина бокового подтрава) с установками « SCHMID» (Ф = 3-3,5) и «PILL» производства Германии.
Испытания показали минимальную величину подтрава на комплексе Frezer Style и СЭМАР (Ф = 5) по сравнению с немецким оборудованием. Комплекс подтвердил следующие технические характеристики:
– производительность по меди: до 2 кг/час;
– точность поддержания концентрации меди в растворе травления ± 2 г/л;
– точность поддержания значения pH р-ра ± ,1;
– точность поддержания температуры в травильной машине по объему ±1°C.
Очень надеемся, что информация, содержащаяся в статье, поможет специалистам в области технологии производства печатных плат при выборе оборудования для изготовления прецизионных печатных плат.