Государственный Комитет Российской Федерации по Высшему Образованию
Санкт-Петербургский
Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ»
Кафедра Микроэлектроники
Реферат
«Гальванотехника и ее Применение в Микроэлектронике»
Студент: Чапчаев В.В.
Факультет: РТ
Уч.группа: № 2142
Преподаватель: Марголин В.И.
Санкт – Петербург
2 0 0 3
Содержание
|Введение ….………………………………………………………… |3 |
|Электрохимическая обработка металлов ………………. |3 |
| Электрохимическое обезжиривание …………………….. |4 |
| Электрохимическое травление ……………………………. |4 |
| Электрохимическое полирование ………………………… |5 |
| Электрохимическое осаждение …………………………… |6 |
|Нанесение на поверхность изделий металлических покрытий | |
|…………………………………………………………... |6 |
| Меднение ……………………………………………………….. |7 |
| Никелирование ………………………………………………… |8 |
| Оловынирование ……………………………………………… |8 |
| Серебрение ……………………………………………………… |8 |
|Оборудование для нанесения гальванических покрытий | |
|…………………………………………………………… |9 |
|Применение гальванотехники в микроэлектронике … |10 |
| Удаление загрязнений с поверхности подложек ……… |10 |
| Электрохимическое нанесение пленок ………………….. |13 |
|Изготовление печатных плат электрохимическим методом | |
|……………………………………………………………… |16 |
| Гальваническое меднение …………………………………… |17 |
| Гальванические покрытия …………………………………… |19 |
|Заключение …………………………………………………………. |22 |
|Список литературы ……………………………………………… |23 |
Введение
Гальванотехника - процесс получения на поверхности изделия или основы
(формы) слоев металлов из растворов их солей под действием постоянного
электрического тока.
Электролитический или гальванический метод нанесения металлических
покрытий был разработан в середине XIX века, но не сразу получил сколько-
нибудь значительное промышленное применение – этому препятствовало
отсутствие мощных источников постоянного тока.
Сущность метода заключается в погружении покрываемых изделий в водный
раствор электролита, главным компонентом которого являются соли или другие
растворимые соединения – металлопокрытия. Покрываемые изделия контактируют
с отрицательным полюсом источника постоянного тока, т.е. являются катодами.
Анодами обычно служат пластины или прутки из того металла, которыми
покрывают изделия. Они контактируют с положительным полюсом источника
постоянного тока и при прохождении электрического тока растворяются,
компенсируя убыль ионов, разряжающихся на покрываемых изделиях.
Наряду с электрохимическим методом катодного осаждения металлов
широкое применение находят и анодные методы электрохимической обработки
поверхности металлов. К ним следует отнести электрохимическое
оксидирование, травление, полирование и др. Во всех анодных процессах
происходит либо растворение металла, либо превращение поверхностного слоя
металла в оксидный или другой слой.
Электрохимическая обработка металлов.
Электрохимическая обработка это ряд методов, предназначенных для
придания обрабатываемой металлической детали определенной формы, заданных
размеров или свойств поверхностного слоя.
Электрохимическая обработка осуществляется в электролизерах
(электролитических ваннах, электрохимических ячейках специальных станков, установок), где обрабатываемая деталь
является либо анодом )анодная обработка), либо катодом (катодная
обработка), либо тем и другим попеременно.
Электрохимическое обезжиривание.
Электрохимическое обезжиривание (процесс удаления жиров и масел с
поверхности изделия) может происходить на катоде, на аноде и может быть
комбинированным – на катоде с последующим кратковременным переключением на
анод.
Процесс электрохимического обезжиривания на катоде заключается в
омылении жиров гидроксильными ионами, концентрация которых у катода бывает
повышенной благодаря выделению газообразного водорода, способствующего
механическому отрыву капелек жиров и масел.
При поляризации обрабатываемых изделий облегчается удаление с их
поверхности жировых загрязнений: при увеличении поляризации уменьшается
прочность прилипания масла к обрабатываемой поверхности и увеличивается
смачиваемой металла водой.
Механизм процесса анодного обезжиривания аналогичен катодному, но
скорость обезжиривания на аноде меньше, что объясняется меньшей щелочностью
у анода и тем, что выделяющийся на аноде кислород слабее воздействует на
обделение жиров и масел от поверхности изделий.
Электрохимическое травление
Электрохимическое травление (удаление с поверхности изделий различных
окислов и продуктов коррозии) для очистки от загрязнений производят в
растворах кислот, содержащих различные добавки (например, ингибитор
коррозии), в щелочных растворах или расплавах при постоянном или переменном
токе. Электрохимическое травление используют для осуществления
электрохимического фрезерования с целью получения заданного «рисунка» на
поверхности детали локальным анодным растворением металла. Места, которые
не должны подвергаться растворению, покрывают слоем фоторезисторного
материала . Таким образом можно произвести обработку деталей типа печатных
плат, перфорирование, травление в декоративных целях.
Важная область использования электрохимического травления – развитие
поверхности (увеличение удельной площади поверхности). Наиболее широкое
применение имеет травление
алюминиевой фольги в хлоридных растворах для электролитических
конденсаторов, этот процесс позволяет повы-
сить удельную поверхность в сотни раз и увеличить удельную емкость
конденсаторов, уменьшить их размеры.
Развитие поверхности методом электрохимического травления применяют
для улучшения адгезии металла по стеклу или керамике в электронной технике,
усиления сцепления покрытия с металлом при эмалировании металлических
изделий и др. Анодным травление снимают дефектные гальванические покрытия с
деталей.
Электрохимическое полирование.
Электрохимическое полирование заключается в преимущественном анодном
растворении выступов на шероховатой поверхности и приводит к достижению
низкой шероховатости или зеркального блеска поверхности (глянцевание)
Выравнивание поверхности и ее глянцевание обусловлены двумя
различными, но взаимосвязанными процессами:
1. Образованием на аноде относительного толстого вязкого слоя из
продуктов растворения. Такой слой обуславливает выравнивание поверхности;
на вершинах микровыступов поверхности он значительно тоньше, чем во
впадинах, и сопротивление его во впадинах значительно выше,, чем на
выступах, поэтому плотность тока на поверхности дна впадин будет меньше,
чем на выступах. Этим объясняется преимущественное растворение
микровыступов и сглаживание поверхности.
2. Образованием и удалением тонкой оксидной пленки, которая толще во
впадинах и тоньше на микровыступах поверхности анода. При их устранении
повышается оптическая гладкость поверхности и усиливается блеск.
Электролит для полирования должен быть устойчив к работе и обладать
широким рабочим интервалом плотности тока и температуры. Он не должен
разъедать поверхность полируемого изделия.
При электролитическом полировании меди, медных гальванических
покрытий, латуни в качестве электролита используют 74% ортофосфорной
кислоты, 6% хромового ангидрида, 20% воды при анодной плотности тока 30 –
50 а/дм2
и температуре электролита 20 - 40(С. Продолжительность обработки 1 – 3 мин.
Электрохимическое оксидирование
Электрохимическое оксидирование имеет две основные разновидности:
получение барьерных тонких пленок (толщиной до мкм) и пористых толстых (до
нескольких сотен мкм) анодных оксидных пленок.
Барьерные пленки получают в растворах электролитов типа H3BO3 не
растворяющих оксиды, обычно в два этапа. На первом этапе – в гальванических
условиях; при этом напряжение увеличивается во времени, а толщина оксидной
пленки пропорциональна количеству электричества. После достижения заданного
напряжения режим изменяют на электростатический – ток снижается во времени,
диэлектрические свойства оксидной пленки повышаются. Одна из наиболее
важных областей применения барьерных оксидных пленок – получение
диэлектрического слоя электролитических конденсаторов.
Пористые анодные оксидные пленки выращивают в агрессивных по
отношению к оксиду электролитах, например, в 15%-ной H2SO4, при постоянном
напряжении. Такие пленки состоят из двух слоев: тонкого барьерного и
значительно более толстого пористого. Они широко применяются в качестве
декоративно-защитных покрытий.
Нанесение на поверхность изделий металлических покрытий.
Нанесение на поверхность изделий тонких (до десятков мкм)
металлических покрытий (гальваностегия) применяют для повышения
коррозионной стойкости и износостойкости изделий, улучшения отражательной
способности его поверхности, повышения электрической проводимости и
магнитных характеристик, облегчения пайки, а также для декоративной
отделки. Наиболее распространенные процессы – цинкование, никелирование, меднение, хромирование, кадмирование, золочение,
серебрение.
Меднение
Медные покрытия применяются в качестве подслоя при нанесении
многослойных защитно-декоративных и многофунк-циональных покрытий на
изделия из стали, цинковых и алюминиевых сплавов во многих отраслях
промышленности; для улучшения пайки; для создания электропроводных слоев;
для местной защиты стальных деталей при цементации, азотировании,
борировании и других диффузионных процессах; в гальванопластике для
наращивания толстых слоев при снятии металлических копий с художественных
изделий.
Для меднения применяют как кислые так и щелочные электролиты.
В кислых электролитах медь находится в виде двухвалентных ионов.
Используемые в промышленности кислые электролиты – сульфатные и
фторборатные характеризуются высоким (95 – 100%) выходом по току и
значительной скоростью осаждения. Недостаток кислых электролитов –
получение из них покрытий с низкой рассеивающей способностью. Повышение
рассеивающей способности достигается уменьшением в сульфатных электролитах
концентрации CuSO4 и увеличением концентрации H2SO4. Такие электролиты,
содержащие также органические добавки, применяют, например, для меднения
печатных плат.
Щелочные электролиты дают возможность осаждать медь на сталь, цинковые
и другие сплавы с менее электроположительным, чем у меди, стандартным
потенциалом, т.к. образующиеся в растворах комплексные соли меди сдвигают
ее потенциал к более отрицательных значением. Покрытия, осаждаемых из
цианидных растворов, отличаются мелкозернистой структурой, они более
равномерным слоем покрывают поверхность изделия.
Никелирование
Никелевые покрытия применяют в промышленности для защиты от коррозии
изделий из стали и цветных металлов, для повышения износостойкости трущихся
поверхностей. Никелевые
покрытия по отношению к железу являются катодными и могут служить защитными
только при условии отсутствия в них пор. Поэтому сталь покрывают сначала
слоем меди (25 –35 мкм), а затем никелем (10 – 15мкм). Наиболее широко
применяют сульфатно-хлоридные электролиты. Из электролитов с добавками
производных бутиндиола осаждаются мелкозернистые, эластичные, ровные
блестящие покрытия. Основной недостаток покрытия малая коррозионная
стойкость, обусловленная включениями серы. Избежать этого можно нанесением
двух- или трехслойных покрытий.
Повышенной стойкостью отличаются композиционные никелевые покрытия,
содержащие мелкодисперсные диэлектрические частицы – каолин, карбиды и др.
Оловянирование.
Оловянирование применяют для защитыизделий от коррозии в органических
кислотах, содержащихся в пищевых продуктах. Покрытия улучшают электрическую
проводимость и облегчают пайку контактов. Оловянирование производят в
кислых (сульфатных, фтороборатных), а также щелочных (станнатных,
пирофосфатных и др.) электролитах. Наиболее распространены сульфатные
электролиты.
Серебрение.
Серебрение широко применяется в радиопромышленности, радиоэлектронике,
производстве средств связи и ЭВМ для обеспечения высокой электрической
проводимости контактов, покрытия внутренней поверхности волноводов,
монтажной проволоки.
Для серебрения используют цианистые электролиты, отличающиеся хорошей
рассеивающей способностью и высоким качеством осадков.
Оборудование для нанесения гальванических покрытий.
Для подготовки изделий к покрытию применяют в основном стационарные
ванны.
Обезжиривают изделия в сварных прямоугольных ваннах, изготовленных из
листовой стали. Ванны для обезжиривания в большинстве случаев снабжены
подогревом и имеют специальные вентиляционные устройства. В ваннах
предусмотрены специальные устройства «карманы» для удаления с поверхности
раствора пены и масла.
Для травления меди и ее сплавов применяют керамиковые ванны,
оборудованные вентиляционными устройствами.
Ванны для нанесения гальванических покрытий делают в основном из стали
и в случае необходимости выкладывают внутри различными изоляционными
материалами. Для кислых электролитов для внутренней обкладки применяется
винипласт. Их используют для кислого цинкования, лужения, кадмирования,
лужения, меднения, никелирования, осаждения сплава олово-свинец.
Для серебрения и золочения изготавливают фарфоровые, керамиковые или
эмалированные ванны небольших размеров.
При интенсифицированном режиме большинство электролитов требуют
подогрева, перемешивания и непрерывной фильтрации для чего ванны оборудуют
соответствующими специальными устройствами: бортовым вентиляционным отсосом
и электроподогревателями. Для перемешивания электролитов применяют сжатый
воздух или механические мешалки, или движущиеся штанги. Для фильтрации
применяют различные устройства периодического или непрерывного действия.
При фильтрации электролит откачивается со дна ванны и пропускается через
фильтр, затем снова попадает в ванну. Для
периодической фильтрации применяются передвижные фильтры, состоящие из
насоса, фильтра, подающей и отводящей труб.
Для механизации процессов подготовки и наведения гальванических
покрытий применяются полуавтоматические и автоматические ванны, также
автоматизированные установки с программным обеспечением.
Все гальванические процессы протекают в основном под действием
постоянного тока низкого напряжения. Для этого широко применяются
выпрямители, создающие индивидуальное питание для каждой ванны (в
соответствии с потребляемой силой тока).
Применение гальванотехники в микроэлектронике.
Удаление загрязнений с поверхности подложек.
Электрические характеристики интегральных микросхем (ИМС) и их
надежность во многом обуславливаются степенью совершенства кристаллической
решетки и чистотой обрабатываемой поверхности пластин и подложек. Поэтому
обязательным условием получения бездефектных полупроводниковых и пленочных
структур является отсутствие на поверхности пластин и подложек нарушенного
слоя или каких-либо загрязнений.
В условиях производства ИМС пластины и подложки соприкасаются с
различными средами, и полностью защитить их от адсорбции различного рода
примесей невозможно. В тоже время получить идеально чистую поверхность
(без посторонних примесей) тоже невозможно.
Для удаления загрязнений на поверхности и приповерхностном слое, в том
числе тех, которые находятся в химической связи с материалом пластины или
подложки, используют химические методы удаления. Они основаны на переводе
путем химической реакции загрязнений в новые соединения, которые затем
легко удаляются. Одним из таких методов является электрохимическое
травление полупроводников.
Процесс травления пластин и подложек состоит в растворении их
поверхности при взаимодействии с соответствующими химическими реагентами
(щелочами, кислотами, их смесями и солями).
В соответствии с электрохимической теорией взаимодействие между
полупроводником и травителем обусловлено тем, что на поверхности пластины
при погружении ее в травитель существуют анодные и катодные микроучастки,
между которыми возникают локальные токи. На анодных участках происходит
окисление кремния с последующим растворением оксида и образованием кремний-
фтористоводородной кислоты, на катодах – восстановление окислителя (азотной
кислоты). В процессе травления микроаноды и микрокатоды непрерывно меняются
местами. Результирующее уравнение реакции при этом имеет вид:
3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2SiF6 + 4NO + 8H2O
Для ряда травителей энергия активации химической реакции (Еа на
порядок и более превышает энергию активации, определюящую скорость диффузии
реагента. В этом случае скорость травления определяется скоростью
химической реакции vр:
Vтр = vр( (NA)a (NB)b exp(- (Еа/(RT),
где NA и NB - концентрации реагирующих веществ; R – универсальная
газовая постоянная; a и b – показатели, численно равные коэффициентам в
уравнении химической реакции.
Поскольку энергия активации химической реакции зависит от
неоднородности поверхности, скорость травления чувствительна к состоянию
поверхности. Так как различные кристаллографические поверхности структуры
кремния имеют различно значение (Еа, то скорость травления зависит от
ориентации пластин, а также от температуры.
В качестве селективных травителей (травители, для которых
контролирующей стадией является химическая реакция) пластин кремния
используют водные растворы щелочей (например, NaOH, KOH) и гидразин гибрат
(NH2)2H2O.
Для селективных травителей характерная разница скоростей травления в
различных кристаллографических
направлениях достигает одного порядка и более. Так, для щелочных травителей
изменение скорости травления соответствует схеме (100) ( (110) ( (111).
Селективное травление используют для локальной обработки
полупроводниковых пластин, в том числе для создания изолирующих областей
при изготовлении ИМС.
Электрохимическое травление основано на химических превращениях,
которые происходят при электролизе. Для этого полупроводниковую пластину
(анод) и металлических электрод (катод) помещают в электролит, через
который пропускают электрический ток. Процесс является окислительно-
восстановительной реакцией, состоящей из анодного окисления (растворения) и
катодного восстановления. Кинетика анодного растворения определяется
концентрацией дырок, генерируемых на поверхности полупроводниковой
пластины.
Электрохимическое травление кремниевых пластин производят в растворах,
содержащих плавиковую кислоту, при возрастающей плотности тока. При этом
вначале происходит образование на поверхности пластины слоя оксида кремния,
в состав которого входит фтористокремниевый комплекс SiF2, окисляющийся в водных
растворах с выделением водорода согласно реакции:
NSi + 2nHF ( (SiF2)n + 2nH+ + 2ne-
(SiF2)n + 2nH2O (nSiO2 + 2nHF( + nH2(
Затем происходит анодное растворение оксида кремния в плавиковой
кислоте:
SiO2 + 6HF ( H2SiF6 + 2H2O
Такой процесс называют также электрополировкой.
Для ускорения наименее медленных стадий процессов очистки с целью
повышения качества очистки и производительности процессов применяют анодно-
механическое травление. В основу анодно-механического травления положено
электрохимическое травление, сопровождаемое механическим воздействием.
Электролит подается на освещенные мощной лампой (для генерации дырок)
пластины, которые предварительно закрепляются на аноде и соприкасаются с вращающимся катодным диском, содержащим радиальные
канавки. При этом скорость электрополировки достигает 400нм/с.
Электролитическое травление применяют как для очистки поверхности
пластин, так и для их локальной обработки.
Электрохимическое нанесение пленок
В технологии микроэлектроники для получения пленочных покрытий с
различными свойствами наряду с вакуумными применяют электрохимическое
осаждение, анодное окисление. В основу метода положены реакции протекающие
в водных растворах солей металлов в условиях приложенного электрического
поля. В результате взаимодействия продуктов реакции с подложкой образуется
пленка.
Электролитическое осаждение – осаждение пленок из водных растворов
солей металлов (электролитов) под действием электрического тока, которое
осуществляется в специальных электролитических ваннах, заполненных
электролитом и содержащих два электрода: анод и катод.
При электроосаждении меди из раствора медного купороса в качестве
анода используется медная пластина. С приложением к электродам разности
потенциалов происходит разложение электролита на ионы. Под действием
электрического тока, протекающего через раствор, находящиеся в растворе
ионы металла, двигаясь к аноду, захватывают на нем электроны и, осаждаясь,
превращаются в нейтральные атомы. Под действием тока ионы меди, достигая
катода, отбирают два электрона, образуя нейтральные атомы, а на аноде атом
меди отдает два электрона и переходит в раствор в виде положительного иона.
Процесс описывается следующими уравнениями: на катоде Cu2+ + SO42- + 2e = Cu0( + SO42-; на аноде Cu0 + SO42- = Cu2+ + SO42- + 2e.
Осаждение атомов металла начинается на дефектах структуры подложки,
после этого они перемещаются вдоль поверхности к изломам, образуя
пленку. Таким образом, пленка
развивается островками, которые разрастаются во всех направлениях, пока не
сольются. Если вблизи зародыша концентрация электролита понижена (что имеет
место в большинстве случаев), то условия благоприятны для роста пленки по
нормали к поверхности.
Свойства осажденных пленок зависят от состава электролита, плотности
тока, температуры, интенсивности перемешивания электролита, скорости дрейфа
ионов металла, формы и состояния поверхности подложки.
Толщина пленки контролируется по значению тока и времени осаждения: d = (gIt/(Sп; где ( - выход металла по току, g – электрохимический эквивалент, I –
ток, протекающий через электролит, t – время, в течение которого осаждается
металл, ( - плотность пленки, Sп – площадь подложки.
Практически значение тока постоянно, а время осаждения –
контролируемый параметр.
Методом электроосаждения получают пленки из различных металлов: меди,
никеля, золота, серебра и др.
В тонкопленочной технологии микроэлектроники электроосаждение
применяют для изготовления многослойных металлических масок, повышения
проводимости внутрисхемных соединений, создания жестких и балочных выводов
ИМС, золочения корпусов. Метод электроосаждения широко применяется также
для получения тонких магнитных пленок, используемых в качестве элементов
памяти.
Анодное окисление – взаимодействие химически активных металлов с
ионами кислорода, выделяющимися у анода при электролизе с образованием
оксидной пленки. Процесс анодного окисления, или анодирование, имеет много
общего с электролитическим осаждением. Аппаратурное оформление этих методов
практически одинаково, однако в данном случае пленки образуются на аноде,
которым является подложка.
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
K6Cu(P2O7)2, который образуется при добавлении избытка пирофосфата калия по
реакции
Cu2P2O7 + 3 K4P2O7 ( 2K6Cu(P2O7)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+ + 3H2O
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».