Что такое травление платы
Перейти к содержимому

Что такое травление платы

  • автор:

Травление печатных плат

Рассмотрены особенности процесса травления (удаления меди) печатных плат, являющегося важным этапом химической обработки печатных плат, полученных субтрактивным методом изготовления.

Важным этапом химической обработки печатных плат, полученных субтрактивным способом, на пути достижения желаемого рисунка схемы является травление или удаление меди.

Хорошие результаты травления зависят от получения правильного рисунка как на органическом внутреннем слое резистов, полученных методом струйной печати

Выбрав резист, необходимо тщательно продумать процесс его снятия. Нужно учитывать воздействие на материалы платы, затраты, технологические требования

Выбор практически доступных растворов для травления печатных плат (травителей) ограничен экономическими, производственными и экологическими соображениями.

Щелочное травление с комплексообразующей гидроокисью аммония широко используется из-за непрерывности процесса, совместимости с основными металлическими

После гидроокиси аммония хлорид меди является самым распространенным травителем. Он лучше совместим с фотополимерными резистами и применяется для прецизионного

Травильные растворы печатных плат на основе перекиси серы (серная кислота-водород) в значительной степени используются для подготовки медных поверхностей

Для травления меди при производстве компьютеров нашли свое применение персульфаты аммония, натрия и калия, улучшенные определенными катализаторами.

Растворы хлорида трехвалентного железа (хлорного железа) используются в качестве травителей для меди, медных сплавов, никелево-железных сплавов и стали

Травители на основе бихромата калия и серной кислоты долгое время использовались для травления плат, покрытых припоем или оловом. Однако после внесения

Что такое травление платы

Способы травления печатных плат (3 рецепта).

После того, как рисунок печатной платы перенесён на фольгированный текстолит при помощи лазерно-утюжной технологии, необходимо произвести травление печатной платы. Несколько рецептов травления печатных плат описаны под катом.

1. Способ первый — хлорное железо.

FeCl_2

Хлорное железо добавляем в воду в соотношении 1:3. Тщательно перемешать.
Время травления зависит от температуры раствора, толщины меди и «свежести» раствора.
В среднем от 10 мин до часа. При нанесении дорожек тонером лазерного принтера не нагревать выше 45°с.
Плату рекомендуется покачивать в растворе.

2. Способ второй — медный купорос плюс поваренная соль.

Медный купорос

Приготовление раствора — на 200 мл. тёплой воды две столовые ложки поваренной соли и столовая ложка медного купороса. Процесс травления может быть довольно длительным.

salt

Для нормального протекания процесса травления рекомендуется значительный избыток соли, подогрев раствора и покачивание платы в растворе.

3. Травление печатной платы в перекиси водорода плюс лимонная кислота.

Достаточно быстрый способ травления печатной платы при комнатной температуре плюс доступность компонентов.

лимонная кислота

Состав раствора:
В 100 мл. 3% перекиси водорода растворить 30 г. лимонной кислоты и 5 г. поваренной соли.

перекись водорода

Соль можно дать с избытком.
Разбавлять раствор не следует. Чем больше перекеси, тем интенсивнее будет процесс.
Но надо учитывать, что раствор одноразовый и не подлежит хранению.

Травление меди при изготовлении печатных плат

travlenie-photo-001.jpg

Травление или удаление меди из определенных участков заготовки будущей печатной платы является важнейшим и одним из наиболее сложных технологических процессов. Для его выполнения требуется филигранная точность, наличие дорогостоящего высокоточного оборудования. Ведь работать приходится с нанометровыми размерами, и малейшая ошибка может привести к возникновению брака, исправить который невозможно.

Как выполняется травление дорожек на печатной плате?

Травление – это процесс, при котором с помощью химических реагентов осуществляется контролируемое корродирование медного слоя, нанесенного на заготовку из фольгированного стеклотекстолита. Вытравливание является ключевым этапом в формировании дорожек на печатной плате.

Прежде чем приступить к травлению, нужно защитить те области, которые в последствии будут выполнять функцию проводника. Для этого плата предварительно покрывается резистом, форма исполнения которого в точности повторяет размещение будущих дорожек.

В зависимости от того, используется кислотная или щелочная среда для травления меди, применяются соответствующие резисты:

  • Фоторезисты. Представленный тип покрытий используется для формирования дорожек печатных плат, толщина которых не превышает 0,05 мм. Вещества обладают значительной устойчивостью к кислотной среде. Применяются положительные или негативные фоторезисты. Первые позволяют получить «печать» дорожек с максимально ровными краями, но из-за чувствительности к белому свету использование этих фоторезистов требует создания особых технологических условий. У негативных нет этого недостатка.
  • Металлорезисты. Это оловянные или олово-свинцовые покрытия, которые наносятся на поверхность путем гальванизации. Для формирования дорожек на печатной плате гальванорезисты подвергаются оплавлению. Процесс травления выполняется в щелочной среде с применением аммиачного комплексного соединения на основе хлорной или сернокислотной двухвалентной меди.

Процесс вытравливания может осуществляться по струйной технологии или технологии с полным погружением заготовки. Последняя отличается равномерной скоростью реакции по всей медной поверхности. Однако готовые платы имеют сильное боковое протравливание, поскольку химические процессы протекают не только вглубь области, где отсутствуют резисты, но и в ширь. Поэтому особое внимание уделяется такому показателю, как коэффициент бокового подтравления. Этот показатель является соотношением толщины меди к боковому подтраву.

Pic.jpg

Струйный метод травления подразумевает подачу травителя под значительным давлением исключительно в те области, где отсутствуют резисты. Концентрация реагентов подбирается таким образом, чтобы реакция протекала только после первого контакта с медью. Отработанный химический реагент быстро удаляется с поверхности платы с помощью мощных вакуумных насосов для предупреждения возникновения подтравов.

Технология струйной подачи травителя позволяет добиться минимального значения боковой протравки и максимальной проводимости дорожки. Форсунки специального аппарата подают реагент перпендикулярно заготовке, а время подачи регламентируется параметрами автоматики. Именно струйный метод применяется для производства современных одно- и многослойных печатных плат.

Независимо от технологии на качество травления большое влияние оказывает концентрация и температура травителя. Поэтому в ванных с реагентом применяются специальные погружные нагреватели с оболочками из кислотостойких металлов или сухие керамические ТЭНы в колбах из кварца.

Какие растворы применяются для травления меди на печатной плате?

Для травления внутренних слоев печатной платы преимущественно используются кислотные реагенты:

  • Хлорид меди. Это соединение отличается высокой реакционной способностью, что позволяет выполнять вытравливание мелких дорожек печатной платы. Предельная скорость достигается при сочетании этого соединения с хлоридом натрия и соляной кислотой.
  • Хлорид железа. По реакционной способности это вещество не уступает хлориду меди, но из-за дороговизны утилизации имеет меньшее промышленное распространение. Кроме этого, имеются некоторые ограничения по использованию резистов. Представленный хлорид не совместим с оловянными и оловянно-свинцовыми покрытиями.

travlenie-photo-003.jpg

Щелочные процессы травления преимущественно выполняются комплексным соединением, состоящим из хлорида меди, соляной кислоты, пероксида водорода и воды. Этот травитель используется на конвейерных линиях со струйной технологией травления и высоким уровнем автоматизации. Подача подается строго дозировано, что обусловлено возможностью повреждения платы при длительном контакте с раствором комплексного соединения.

Как поддерживается оптимальная температура травителя?

Температура является важным критерием, влияющим на скорость протекания химических реакций. Незначительное отклонение в 2-3 градуса может стать результатом недостаточного или избыточного травления меди на печатной плате. Слишком высокая температура приводит к повышению реакционной способности травителя, низкая – к снижению. Поэтому особое внимание при производстве печатных плат уделяется выбору оборудования для поддержания стабильного температурного режима растворов.

Погружные жидкостные ТЭНы

Конструкция этих нагревательных элементов одинакова с теми ТЭНами, что используются в обычных бытовых бойлерах. Они представляют собой закрученную трубку, выполненную из химически стойкой марки нержавеющей стали. Этот материал специально разработан для постоянного контакта с агрессивными кислотами и щелочами. Внутри ТЭНа находится резистивный нихромовый проводник. Пространство между трубчатым корпусом и

нагревателем заполнено периклазовым изолятором, который эффективно пропускает тепло, но не проводит электрический ток.

Непосредственный контакт корпуса ТЭНа с раствором обеспечивает максимально быстрый прогрев с минимальными затратами электроэнергии. В случае отключения они моментально остывают, что позволяет максимально точно контролировать температурный режим раствора для травления меди.

Недостаток погружных ТЭН в том, что в случае выхода их из строя придется полностью сливать резервуар с реагентами, тем самым останавливать весь производственный цикл.

travlenie-photo-002.jpg

Сухие керамические ТЭНы

Этот тип нагревателей не имеет непосредственного контакта с агрессивными веществами. Передача тепловой энергии осуществляется через специальный кварцевый стакан.

Сама ТЭНа представляет собой цилиндр из керамического изолятора, внутри которого установлена реостатная проволока. За счет этой конструкции нагревательный элемент полностью защищен и отличается длительным сроком эксплуатации, а открытая спираль обеспечивает мгновенную передачу тепловой энергии на стакан и подогреваемую жидкость.

По сравнению с погружными моделями, сухие ТЭНы имеют меньшую скорость реакции при выключении, что обязательно нужно учитывать в процессе травления меди на печатной плате. Однако полная изоляция обеспечивает возможность быстрой замены электронагревателя даже без необходимости слива резервуара или остановки процесса производства.

Как выбрать ТЭН для травления меди на печатных платах?

Чтобы приобрести электронагреватель, который гарантировано справится с поставленными задачами, нужно обратить внимание на эти моменты:

  • Мощность. Не стоит устанавливать ТЭН, производительность которого будет соответствовать расчетной. Она должна быть как минимум на 20% выше. Если нагреватель постоянно будет работать на пределе своей мощности, это приведет к снижению его срока эксплуатации.
  • Торговая марка. Оптимальным вариантом будет приобретение нагревательного элемента у непосредственного производителя. Только в этом случае можно заказать устройство с индивидуальными техническими характеристиками и габаритами.
  • Аксессуары. Наличие возможности подключения термопары или других датчиков обеспечивает лучший контроль за нагревом травителя и состоянием самого ТЭНа.

Чтобы проконсультироваться касательно выбора оптимального варианта электронагревателя для решения конкретных производственных задач, обращайтесь за помощью к менеджерам «Электронагрев». Ассортимент нагревателей компании состоит только из устройств собственного производства. При сотрудничестве с «Электронагрев» вы не переплачиваете посредникам и получаете весь комплекс сервисных услуг. Имеется возможность организации поставки и подключения оборудования под ключ.

Мокрое травление печатных плат с использованием кислотного и щелочного методов

Травление меди является одним из самых важных этапов в производстве печатных плат. По сути, это коррозия, которая в обычных условиях непредсказуема, но может контролироваться с помощью управляемого процесса. В статье подробно рассматривается метод мокрого травления для производства печатных плат. Мокрое травление — это процесс удаления ненужной меди путем погружения печатной платы в химический раствор (кислотный или щелочной). Поскольку вся плата погружена в химический раствор, коррозия происходит равномерно во всех направлениях.

Примечание: обращаем Ваше внимание, что данная статья дана в переводе. Автор статьи, по нашему мнению, допускает ряд неточностей при описании химических процессов. С оригиналом статьи Вы можете ознакомиться по ссылке www.protoexpress.com/blog/wet-pcb-etching-acidic-alkaline-methods/

Что такое травление печатных плат?

Травлением печатной платы называется процесс удаления нежелательной меди (Cu) с печатной платы для получения нужного рисунка схемы. Травление похоже на работу скульптора, где плата — это камень, который с помощью травления превращается в прекрасную скульптуру. Во время этого процесса с платы удаляется базовая или, как еще ее называют, начальная медь. При этом катанная и обожженная медь легче вытравливается по сравнению с медью, нанесенной электрохимическим методом.

Перед травлением подготавливается макет печатной платы: необходимое изображение схемы переносится на печатную плату с помощью процесса фотолитографии. Далее формируется модель, которая показывает, где и какую часть меди необходимо удалить. Способы травления для внутреннего и внешнего слоев печатной платы различаются: при травлении внешнего слоя электроосаждение олова действует как резист, во внутренних же слоях резистом выступает фоторезист. Кроме того, травление печатных плат может быть выполнено двумя различными методами: мокрым и сухим.

Рис. 1. Процесс мокрого травления печатных плат

Факторы, которые следует учитывать перед выбором метода травления

Направление и скорость травления оказывают непосредственное воздействие на протекание и результат этого процесса.

Направление травления

Для того чтобы получить контролируемую скорость травления, нужно выбрать соответствующее направление. Существуют два метода:

  1. Анизотропный процесс удаляет материал в заданном направлении. Данный метод используется в сухом травлении, при этом скорость травления можно контролировать.
  2. Изотропный процесс, при котором скорость травления постоянна во всех направлениях, но ее сложно контролировать. Мокрое травление является изотропным методом.
Селективность травления

Селективность травления определяется как отношение скоростей травления различных материалов. Важно понимать это соотношение, чтобы точно рассчитать толщину маски и контролировать процесс травления.

Как проводится мокрое травление печатных плат

Мокрое, или химическое, травление является самым широко распространенным в микроэлектронике типом травления. Здесь вещество удаляют с помощью жидкого реагента, обычно на кислотной или щелочной основе. Реагент может либо мгновенно удалить материал, либо сначала окислить вещество, а затем растворить его. Качество процесса травления в основном зависит от:

  • химических характеристик растворов травления;
  • концентрации травильных растворов;
  • температуры и давления;
  • конфигурации оборудования.

Химические реакции во время процесса влажного травления:

  • диффузия: жидкий раствор травления впрыскивается в область, подлежащую удалению;
  • восстановление‑окисление: эта реакция происходит между жидким раствором травления и материалом, который подлежит травлению;
  • удаление остатков: побочные продукты диффундируют с прореагировавшей поверхности.

Методы мокрого травления печатных плат

Мокрое травление — это тип процесса травления, при котором нежелательный материал растворяется при погружении в химический раствор. Производители печатных плат обычно используют два метода мокрого травления в зависимости от применяемых растворов:

  1. Кислотное травление (хлорид железа и хлорид меди).
  2. Щелочное травление (аммиачный раствор)

Оба метода имеют свои плюсы и минусы.

Рис. 3. Мокрое травление печатных плат

Процесс кислотного травления

Кислотный метод используется для травления внутренних слоев жесткой печатной платы с помощью химических растворителей, например, хлорида железа (FeCl3) или хлорида меди (CuCl2). Кислотный метод дешевле и точнее, но и продолжительнее по сравнению со щелочным методом. Этот метод хорошо подходит для внутренних слоев печатной платы, потому что кислота не вступает в реакцию с фоторезистом, а значит, не повреждает нужные области. Кроме того, при использовании данного метода почти не возникает таких дефектов, как например, подтравливание печатного проводника.

Подтравливание представляет собой боковую эрозию материала под защитным слоем олова/свинца. Сверху проводники защищены покрытием, нанесенным перед травлением, или фоторезистом, но сбоку они не защищены ничем, что делает возможной реакцию с раствором травления и, как следствие, уменьшает ширину проводника.

Подтравливание проводника печатной платы

Травление хлоридом меди

Хлорид меди широко используется в качестве раствора для травления, в том числе для выполнения травления мелких деталей. Он обеспечивает постоянную скорость травления и непрерывную регенерацию при сравнительно меньших затратах. Комбинация «хлорид меди — хлорид натрия — HCl» дает возможность получить максимальную скорость травления: 55 с для травления 1 унции меди при температуре +54,44 °C, поэтому такое сочетание оптимально при травлении тонких линий внутренних слоев.

Примечание. Использование газообразного хлора на производстве требует мощной вентиляции, специальных мест для хранения резервуаров и баллонов, а также оборудования для обнаружения утечек. Кроме того, необходимы разработка аварийных протоколов и разрешение пожарной службы. К работе с газообразным хлором допускаются только обученные этому квалифицированные сотрудники, которые должны быть обеспечены средствами индивидуальной защиты.

Травление хлоридом железа

Травильный раствор хлорида железа имеет ограниченное применение в промышленности из‑за дорогостоящей утилизации. Тем не менее хлорид железа обладает некоторыми преимуществами: аэрозольный способ нанесения, простота использования, способность удерживать медь и химическая устойчивость. Это удобно для производств, где требуется нечастое его применение. Хлорид железа можно использовать с красками для трафаретной печати, фоторезистами и золотыми покрытиями, но нельзя применять с оловянными или оловянно‑свинцовыми резистами.

Обычно раствор хлорида железа растворяют в воде с концентрацией 28–42% по массе. К этому раствору также подмешивают HCl (до 5%), чтобы предотвратить образование нерастворимых осадков гидроксида железа. Как правило, используемый удельный вес хлорида железа составляет 36 Be, или приблизительно 4 ф/гал FeCl3. Содержание кислоты (HCl) в пределах 1,5–2% для коммерческого использования.

Процесс щелочного травления

Щелочной метод мокрого травления предназначен для травления внешних слоев печатной платы. В качестве раствора для травления применяют хлорид меди (CuCl2, 2H2O) + гидрохлорид (HCl) + перекись водорода (H2O2) + вода (H2O). Щелочной метод — быстрый, но довольно дорогой процесс, требующий строгого соблюдения всех параметров, поскольку растворитель может сильно повредить печат ную плату, если их контакт превысит заданное время. Данный процесс должен тщательно контролироваться.

Щелочное травление осуществляется в конвейерной камере высокого давления, где на печатную плату распыляется раствор для травления. Для того чтобы процесс травления выполнялся равномерно и без образования подтравов, необходимо учитывать такие факторы, как скорость движения печатной платы, особенности химического раствора и количество меди, которую необходимо убрать.

Как правило, при нахождении платы в середине распылительной камеры достигается так называемая контрольная точка — момент, когда травление меди должно прекратиться. Так, если длина распылительной камеры составляет 2 м, контрольная точка будет достигнута, когда плата дойдет до середины, то есть через 1 м от начала.

Различные способы мокрого травления печатных плат

Погружение

Плата погружается в химический раствор и остается там до тех пор, пока не будут удалены все нежелательные слои.

Вращение и распыление

В этой процедуре плата вращается, а раствор для травления распыляется сверху. Вращение подложки обеспечивает более ровную поверхность травления. Эффективность процесса зависит от:

  • типа химического раствора;
  • температуры и концентрации раствора;
  • скорости вращения платы.

Параметры, определяющие качество растворов для травления

В идеальном случае скорость травления зависит только от времени процесса. Но в реальных условиях свое влияние оказывает и меняющийся состав раствора, поэтому некоторые параметры раствора нуждаются в постоянном контроле:

  • плотность жидкости по Бомё (Вé);
  • температура;
  • окислительно‑восстановительный потенциал (ОВП);
  • химические добавки (свободные кислоты);
  • pH.
Плотность жидкости по Бомё (Bé)

Плотность по Бомё показывает молярную концентрацию раствора, которая зависит от его удельной плотности. Ниже представлено уравнение для расчета Бомё (Bé) раствора травления:

Чем выше значение Bé и, соответственно, молярность раствора, тем быстрее протекает травление и тем меньше образуется подтравов. Более низкое значение Bé приводит к низкой скорости травления с плохой разрешающей способностью.

Температура

Как правило, при высоких температурах скорость травления выше. Выбор температуры зависит от используемой установки травления. В большинстве установок имеются пластмассовые детали, потому что все металлы реагируют на растворы для травления. Следовательно, температура процесса травления не может быть слишком высокой — максимально допустимый диапазон составляет +50…+55 °C.

Окислительно‑восстановительный потенциал (ОВП)

ОВП указывает на активность раствора травления. Это мера относительной удельной проводимости раствора, выраженная в милливольтах. ОВП указывает на отношение между ионами двухвалентной меди и ионами одновалентной меди или ионами трехвалентного железа и ионами двухвалентного железа. В процессе травления меди раствор для травления переходит из состояния двухвалентной меди/трехвалентного железа в состояние одновалентная медь/двухвалентное железо, то есть окисленная и восстановленная формы различаются только числом электронов. Чем выше значение ОВП, тем эффективнее раствор для травления, в то время как низкие значения ОВП указывают на медленное и неэффективное травление. Для достижения постоянной скорости травления производителям печатных плат необходимо поддерживать ОВП на постоянном высоком уровне. На ОВП влияют содержание свободной кислоты и температура.

Добавление свободной кислоты и окислителя к раствору травления приводит к образованию свободного хлора, что восстанавливает двухвалентную медь в форму одновалентной меди.

Добавление химических добавок (свободные кислоты)

Для увеличения скорости травления могут применяться химические добавки. Соляная кислота (HCI) часто используется в сочетании с растворами CuCl2 и FeCl3. HCl является источником хлора и образует хлориды металлов вместо гидроксидов, что повышает способность раствора удерживать металлы. Для обеспечения непрерывности процесса травления очень важны добавки. Их вносят перед первым использованием раствора травления или при его восстановлении. Для проверки кислотности раствора используют рН.

Дополнительные вещества увеличивают сложность состава травления, но при этом улучшают его растворяющую способность и обеспечивают более высокую скорость процесса. Допустимая концентрация добавок зависит от используемой травильной установки, так как применение большого количества HCl может повредить оборудование, став причиной реакции кислоты с деталями установки.

Значение pH

Значение pH очень важный параметр для травления, особенно в щелочных процессах с использованием аммиака. Оптимальное значение для щелочного травления составляет 7,9–8,1. Уровень pH меньше 8 считается низким и является следствием малого содержания аммиака, чрезмерной вентиляции, нагрева и т. д. В таких случаях рН можно повысить, добавив безводный аммиак. Значение pH выше 8,8 может быть вызвано недостаточной вентиляцией, повышенным содержанием меди или наличием воды в растворе. Увеличение pH может стать причиной низкой скорости травления.

В случае кислотного травления pH используется для контроля раствора. Повышение рН приводит к неверным показаниям колориметра на медь из‑за помутнения раствора. В таблице 1 указаны параметры для различных растворов травления.

Непрерывное травление и восстановление

Непрерывное травление — метод, используемый в производстве, когда происходит автоматизированная контролируемая подача раствора. Параметры, которые будут контролироваться в таких системах, — это удельный вес или плотность раствора травления. По мере растворения меди плотность раствора травления увеличивается. Когда датчик фиксирует верхний предел плотности, включается насос, который автоматически подает раствор. В то же время система устраняет отработанный раствор травления. Для бесперебойного производства в таких системах важным фактором является регенерация, или восстановление, травителя. Регенерация — это процесс повторного использования отработанного раствора. Устойчивая непрерывная регенерация раствора позволяет стабилизировать процесс травления.

Технологии регенерации растворов были разработаны для решения проблем с утилизацией остатков отработанных растворов, опасных для окружающей среды. Но есть и другие преимущества использования восстановленных растворов, например, экономия средств и снижение эксплуатационных расходов.

Параметр

Щелочное травление

Раствор на основе хлорида меди

Раствор на основе хлорного железа

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *