Реферат: Гальванотехника и ее применение в микроэлектронике
ГосударственныйКомитет Российской Федерации
по Высшему Образованию
Санкт-ПетербургскийГосударственныйЭлектротехнический Университет «ЛЭТИ»Кафедра МикроэлектроникиРеферат«Гальванотехника
и ее Применение вМикроэлектронике»
Студент: Чапчаев В.В.
Факультет: РТ
Уч.группа: № 2142
Преподаватель: Марголин В.И.
Санкт – Петербург2 0 0 3
Содержание
Введение
Гальванотехника- процесс получения на поверхности изделия или основы (формы) слоев металлов израстворов их солей под действием постоянного электрического тока.
Электролитическийили гальванический метод нанесения металлических покрытий был разработан всередине XIX века, но не сразуполучил сколько-нибудь значительное промышленное применение – этомупрепятствовало отсутствие мощных источников постоянного тока.
Сущностьметода заключается в погружении покрываемых изделий в водный растворэлектролита, главным компонентом которого являются соли или другие растворимыесоединения – металлопокрытия. Покрываемые изделия контактируют с отрицательнымполюсом источника постоянного тока, т.е. являются катодами. Анодами обычнослужат пластины или прутки из того металла, которыми покрывают изделия. Ониконтактируют с положительным полюсом источника постоянного тока и припрохождении электрического тока растворяются, компенсируя убыль ионов,разряжающихся на покрываемых изделиях.
Нарядус электрохимическим методом катодного осаждения металлов широкое применениенаходят и анодные методы электрохимической обработки поверхности металлов. Кним следует отнести электрохимическое оксидирование, травление, полирование идр. Во всех анодных процессах происходит либо растворение металла, либопревращение поверхностного слоя металла в оксидный или другой слой.
Электрохимическая обработка металлов.
Электрохимическаяобработка это ряд методов, предназначенных для придания обрабатываемойметаллической детали определенной формы, заданных размеров или свойствповерхностного слоя.
Электрохимическаяобработка осуществляется в электролизерах (электролитических ваннах,электрохимических
ячейкахспециальных станков, установок), где обрабатываемая деталь является либо анодом)анодная обработка), либо катодом (катодная обработка), либо тем и другимпопеременно.
Электрохимическоеобезжиривание (процесс удаления жиров и масел с поверхности изделия) можетпроисходить на катоде, на аноде и может быть комбинированным – на катоде споследующим кратковременным переключением на анод.
Процессэлектрохимического обезжиривания на катоде заключается в омылении жировгидроксильными ионами, концентрация которых у катода бывает повышеннойблагодаря выделению газообразного водорода, способствующего механическомуотрыву капелек жиров и масел.
Приполяризации обрабатываемых изделий облегчается удаление с их поверхностижировых загрязнений: при увеличении поляризации уменьшается прочностьприлипания масла к обрабатываемой поверхности и увеличивается смачиваемойметалла водой.
Механизмпроцесса анодного обезжиривания аналогичен катодному, но скорость обезжириванияна аноде меньше, что объясняется меньшей щелочностью у анода и тем, чтовыделяющийся на аноде кислород слабее воздействует на обделение жиров и маселот поверхности изделий.
Электрохимическое травлениеЭлектрохимическоетравление (удаление с поверхности изделий различных окислов и продуктовкоррозии) для очистки от загрязнений производят в растворах кислот, содержащихразличные добавки (например, ингибитор коррозии), в щелочных растворах илирасплавах при постоянном или переменном токе. Электрохимическое травлениеиспользуют для осуществления электрохимического фрезерования с целью получениязаданного «рисунка» на поверхности детали локальным анодным растворениемметалла. Места, которые не должны подвергаться растворению, покрывают слоемфоторезисторного материала. Таким образом можно произвести обработку деталейтипа печатных плат, перфорирование, травление в декоративных целях.
Важная областьиспользования электрохимического травления – развитие поверхности (увеличениеудельной площади поверхности). Наиболее широкое применение имеет травление
алюминиевой фольги в хлоридныхрастворах для электролитических конденсаторов, этот процесс позволяет повы-
сить удельную поверхность всотни раз и увеличить удельную емкость конденсаторов, уменьшить их размеры.
Развитиеповерхности методом электрохимического травления применяют для улучшенияадгезии металла по стеклу или керамике в электронной технике, усилениясцепления покрытия с металлом при эмалировании металлических изделий и др.Анодным травление снимают дефектные гальванические покрытия с деталей.
Электрохимическоеполирование.
Электрохимическоеполирование заключается в преимущественном анодном растворении выступов нашероховатой поверхности и приводит к достижению низкой шероховатости илизеркального блеска поверхности (глянцевание)
Выравниваниеповерхности и ее глянцевание обусловлены двумя различными, но взаимосвязаннымипроцессами:
1.Образованием на аноде относительного толстого вязкого слоя из продуктоврастворения. Такой слой обуславливает выравнивание поверхности; на вершинахмикровыступов поверхности он значительно тоньше, чем во впадинах, исопротивление его во впадинах значительно выше,, чем на выступах, поэтомуплотность тока на поверхности дна впадин будет меньше, чем на выступах. Этимобъясняется преимущественное растворение микровыступов и сглаживаниеповерхности.
2.Образованием и удалением тонкой оксидной пленки, которая толще во впадинах итоньше на микровыступах поверхности анода. При их устранении повышаетсяоптическая гладкость поверхности и усиливается блеск.
Электролитдля полирования должен быть устойчив к работе и обладать широким рабочиминтервалом плотности тока и температуры. Он не должен разъедать поверхностьполируемого изделия.
Приэлектролитическом полировании меди, медных гальванических покрытий, латуни вкачестве электролита используют 74% ортофосфорной кислоты, 6% хромовогоангидрида, 20% воды при анодной плотности тока 30 – 50 а/дм2
и температуре электролита 20 — 40°С. Продолжительность обработки 1 – 3 мин.
Электрохимическое оксидирование
Электрохимическоеоксидирование имеет две основные разновидности: получение барьерных тонкихпленок (толщиной до мкм) и пористых толстых (до нескольких сотен мкм) анодныхоксидных пленок.
Барьерныепленки получают в растворах электролитов типа H3BO3не растворяющих оксиды, обычно в два этапа. На первом этапе – в гальваническихусловиях; при этом напряжение увеличивается во времени, а толщина оксиднойпленки пропорциональна количеству электричества. После достижения заданногонапряжения режим изменяют на электростатический – ток снижается во времени,диэлектрические свойства оксидной пленки повышаются. Одна из наиболее важныхобластей применения барьерных оксидных пленок – получение диэлектрического слояэлектролитических конденсаторов.
Пористыеанодные оксидные пленки выращивают в агрессивных по отношению к оксидуэлектролитах, например, в 15%-ной H2SO4,при постоянном напряжении. Такие пленки состоят из двух слоев: тонкогобарьерного и значительно более толстого пористого. Они широко применяются вкачестве декоративно-защитных покрытий.
Нанесение на поверхность изделий металлическихпокрытий.
Нанесениена поверхность изделий тонких (до десятков мкм) металлических покрытий(гальваностегия) применяют для повышения коррозионной стойкости иизносостойкости изделий, улучшения отражательной способности его поверхности,повышения электрической проводимости и магнитных характеристик, облегченияпайки, а также для декоративной отделки. Наиболее распространенные процессы –цинкование,
никелирование, меднение, хромирование, кадмирование,золочение, серебрение.
МеднениеМедныепокрытия применяются в качестве подслоя при нанесении многослойныхзащитно-декоративных и многофунк-циональных покрытий на изделия из стали,цинковых и алюминиевых сплавов во многих отраслях промышленности; для улучшенияпайки; для создания электропроводных слоев; для местной защиты стальных деталейпри цементации, азотировании, борировании и других диффузионных процессах; вгальванопластике для наращивания толстых слоев при снятии металлических копий схудожественных изделий.
Длямеднения применяют как кислые так и щелочные электролиты.
Вкислых электролитах медь находится в виде двухвалентных ионов. Используемые впромышленности кислые электролиты – сульфатные и фторборатные характеризуютсявысоким (95 – 100%) выходом по току и значительной скоростью осаждения.Недостаток кислых электролитов – получение из них покрытий с низкойрассеивающей способностью. Повышение рассеивающей способности достигаетсяуменьшением в сульфатных электролитах концентрации CuSO4и увеличением концентрации H2SO4.Такие электролиты, содержащие также органические добавки, применяют, например,для меднения печатных плат.
Щелочныеэлектролиты дают возможность осаждать медь на сталь, цинковые и другие сплавы сменее электроположительным, чем у меди, стандартным потенциалом, т.к.образующиеся в растворах комплексные соли меди сдвигают ее потенциал к болееотрицательных значением. Покрытия, осаждаемых из цианидных растворов,отличаются мелкозернистой структурой, они более равномерным слоем покрываютповерхность изделия.
Никелирование
Никелевыепокрытия применяют в промышленности для защиты от коррозии изделий из стали ицветных металлов, для повышения износостойкости трущихся поверхностей.Никелевые
покрытияпо отношению к железу являются катодными и могут служить защитными только приусловии отсутствия в них пор. Поэтому сталь покрывают сначала слоем меди (25–35 мкм), а затем никелем (10 – 15мкм). Наиболее широко применяютсульфатно-хлоридные электролиты. Из электролитов с добавками производныхбутиндиола осаждаются мелкозернистые, эластичные, ровные блестящие покрытия.Основной недостаток покрытия малая коррозионная стойкость, обусловленная включениямисеры. Избежать этого можно нанесением двух- или трехслойных покрытий.
Повышенной стойкостьюотличаются композиционные никелевые покрытия, содержащие мелкодисперсныедиэлектрические частицы – каолин, карбиды и др.
Оловянирование.
Оловянирование применяютдля защитыизделий от коррозии в органических кислотах, содержащихся в пищевыхпродуктах. Покрытия улучшают электрическую проводимость и облегчают пайкуконтактов. Оловянирование производят в кислых (сульфатных, фтороборатных), атакже щелочных (станнатных, пирофосфатных и др.) электролитах. Наиболеераспространены сульфатные электролиты.
Серебрение.
Серебрение широкоприменяется в радиопромышленности, радиоэлектронике, производстве средств связии ЭВМ для обеспечения высокой электрической проводимости контактов, покрытиявнутренней поверхности волноводов, монтажной проволоки.
Для серебрения используютцианистые электролиты, отличающиеся хорошей рассеивающей способностью и высокимкачеством осадков.
Оборудованиедля нанесения гальванических покрытий.
Дляподготовки изделий к покрытию применяют в основном стационарные ванны.
Обезжириваютизделия в сварных прямоугольных ваннах, изготовленных из листовой стали. Ванныдля обезжиривания в большинстве случаев снабжены подогревом и имеют специальныевентиляционные устройства. В ваннах предусмотрены специальные устройства«карманы» для удаления с поверхности раствора пены и масла.
Длятравления меди и ее сплавов применяют керамиковые ванны, оборудованныевентиляционными устройствами.
Ванныдля нанесения гальванических покрытий делают в основном из стали и в случаенеобходимости выкладывают внутри различными изоляционными материалами. Длякислых электролитов для внутренней обкладки применяется винипласт. Ихиспользуют для кислого цинкования, лужения, кадмирования, лужения, меднения,никелирования, осаждения сплава олово-свинец.
Длясеребрения и золочения изготавливают фарфоровые, керамиковые или эмалированныеванны небольших размеров.
Приинтенсифицированном режиме большинство электролитов требуют подогрева,перемешивания и непрерывной фильтрации для чего ванны оборудуютсоответствующими специальными устройствами: бортовым вентиляционным отсосом иэлектроподогревателями. Для перемешивания электролитов применяют сжатый воздухили механические мешалки, или движущиеся штанги. Для фильтрации применяютразличные устройства периодического или непрерывного действия. При фильтрацииэлектролит откачивается со дна ванны и пропускается через фильтр, затем сновапопадает в ванну. Для
периодической фильтрации применяются передвижные фильтры,состоящие из насоса, фильтра, подающей и отводящей труб.
Длямеханизации процессов подготовки и наведения гальванических покрытийприменяются полуавтоматические и автоматические ванны, также автоматизированныеустановки с программным обеспечением.
Всегальванические процессы протекают в основном под действием постоянного токанизкого напряжения. Для этого широко применяются выпрямители, создающиеиндивидуальное питание для каждой ванны (в соответствии с потребляемой силойтока).
Применение гальванотехники в микроэлектронике.
Удаление загрязнений с поверхностиподложек.Электрическиехарактеристики интегральных микросхем (ИМС) и их надежность во многомобуславливаются степенью совершенства кристаллической решетки и чистотой обрабатываемойповерхности пластин и подложек. Поэтому обязательным условием получениябездефектных полупроводниковых и пленочных структур является отсутствие наповерхности пластин и подложек нарушенного слоя или каких-либо загрязнений.
Вусловиях производства ИМС пластины и подложки соприкасаются с различнымисредами, и полностью защитить их от адсорбции различного рода примесейневозможно. В тоже время получить идеально чистую поверхность (без постороннихпримесей) тоже невозможно.
Дляудаления 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 путемхимической реакции загрязнений в новые соединения, которые затем легкоудаляются. Одним из таких методов является электрохимическое травлениеполупроводников.
Процесстравления пластин и подложек состоит в растворении их поверхности привзаимодействии с соответствующими химическими реагентами (щелочами, кислотами,их смесями и солями).
Всоответствии с электрохимической теорией взаимодействие между полупроводником итравителем обусловлено тем, что на поверхности пластины при погружении ее втравитель существуют анодные и катодные микроучастки, между которыми возникаютлокальные токи. На анодных участках происходит окисление кремния с последующимрастворением оксида и образованием кремний-фтористоводородной кислоты, накатодах – восстановление окислителя (азотной кислоты). В процессе травлениямикроаноды и микрокатоды непрерывно меняются местами. Результирующее уравнениереакции при этом имеет вид:
3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2SiF6+ 4NO + 8H2O
Дляряда травителей энергия активации химической реакции DЕана порядок и более превышает энергию активации, определюящую скорость диффузииреагента. В этом случае скорость травления определяется скоростью химическойреакции vр:
Vтр= vр¥(NA)a (NB)b exp(- DЕа/(RT),
гдеNA<sub/>иNB<sub/> -концентрации реагирующих веществ; R– универсальная газовая постоянная; aи b – показатели, численно равныекоэффициентам в уравнении химической реакции.Поскольку энергия активациихимической реакции зависит от неоднородности поверхности, скорость травлениячувствительна к состоянию поверхности. Так как различные кристаллографическиеповерхности структуры кремния имеют различно значение DЕа, то скоростьтравления зависит от ориентации пластин, а также от температуры.
В качестве селективныхтравителей (травители, для которых
контролирующейстадией является химическая реакция) пластин кремния используют водные растворыщелочей (например, NaOH, KOH) и гидразингибрат (NH2)2H2O.
Для селективных травителейхарактерная разница скоростей травления в различных кристаллографических
направленияхдостигает одного порядка и более. Так, для щелочных травителей изменениескорости травления соответствует схеме (100) > (110) >(111).
Селективное травлениеиспользуют для локальной обработки полупроводниковых пластин, в том числе длясоздания изолирующих областей при изготовлении ИМС.
Электрохимическое травлениеосновано на химических превращениях, которые происходят при электролизе. Дляэтого полупроводниковую пластину (анод) и металлических электрод (катод)помещают в электролит, через который пропускают электрический ток. Процессявляется окислительно-восстановительной реакцией, состоящей из анодногоокисления (растворения) и катодного восстановления. Кинетика анодногорастворения определяется концентрацией дырок, генерируемых на поверхностиполупроводниковой пластины.
Электрохимическое травлениекремниевых пластин производят в растворах, содержащих плавиковую кислоту, привозрастающей плотности тока. При этом вначале происходит образование наповерхности пластины слоя оксида кремния, в состав которого
входит фтористокремниевыйкомплекс SiF2, окисляющийсяв водных растворах с выделением водорода согласно реакции:
NSi+ 2nHF ®(SiF2)n + 2nH+ + 2ne-
(SiF2)n+ 2nH2O ®nSiO2+ 2nHF +nH2
Затемпроисходит анодное растворение оксида кремния в плавиковой кислоте:
SiO2 + 6HF ®H2SiF6 + 2H2O
Такойпроцесс называют также электрополировкой.
Дляускорения наименее медленных стадий процессов очистки с целью повышениякачества очистки и производительности процессов применяют анодно-механическоетравление. В основу анодно-механического травления положено электрохимическоетравление, сопровождаемое механическим воздействием. Электролит подается наосвещенные мощной лампой (для генерации дырок) пластины, которые предварительно закрепляются на аноде и
соприкасаются с вращающимся катодным диском, содержащимрадиальные канавки. При этом скорость электрополировки достигает 400нм/с.
Электролитическоетравление применяют как для очистки поверхности пластин, так и для их локальнойобработки.
Электрохимическоенанесение пленок
В технологиимикроэлектроники для получения пленочных покрытий с различными свойстваминаряду с вакуумными применяют электрохимическое осаждение, анодное окисление. Воснову метода положены реакции протекающие в водных растворах солей металлов вусловиях приложенного электрического поля. В результате взаимодействияпродуктов реакции с подложкой образуется пленка.
Электролитическоеосаждение – осаждение пленок из водных растворов солейметаллов (электролитов) под действием электрического тока, котороеосуществляется в специальных электролитических ваннах, заполненных электролитоми содержащих два электрода: анод и катод.
Приэлектроосаждении меди из раствора медного купороса в качестве анодаиспользуется медная пластина. С приложением к электродам разности потенциаловпроисходит разложение электролита на ионы. Под действием электрического тока,протекающего через раствор, находящиеся в растворе ионы металла, двигаясь каноду, захватывают на нем электроны и, осаждаясь, превращаются в нейтральныеатомы. Под действием тока ионы меди, достигая катода, отбирают два электрона,образуя нейтральные атомы, а на аноде атом меди отдает два электрона ипереходит в раствор в виде положительного иона. Процесс описывается следующимиуравнениями:
накатоде Cu2+ + SO42- + 2e = Cu0¯+ SO42-;
нааноде Cu0+ SO42- = Cu2+ + SO42-+ 2e.
Осаждениеатомов металла начинается на дефектах структуры подложки, после этого ониперемещаются вдоль поверхности к изломам, образуя пленку. Таким образом,пленка
развиваетсяостровками, которые разрастаются во всех направлениях, пока не сольются. Есливблизи зародыша концентрация электролита понижена (что имеет место вбольшинстве случаев), то условия благоприятны для роста пленки по нормали кповерхности.
Свойстваосажденных пленок зависят от состава электролита, плотности тока, температуры,интенсивности перемешивания электролита, скорости дрейфа ионов металла, формы исостояния поверхности подложки.
Толщина пленкиконтролируется по значению тока и времени осаждения:
d = hgIt/gSп;
где h- выход металла по току, g– электрохимический эквивалент, I– ток, протекающий через электролит, t– время, в течение которого осаждается металл, g- плотность пленки, Sп– площадь подложки.
Практическизначение тока постоянно, а время осаждения – контролируемый параметр.
Методомэлектроосаждения получают пленки из различных металлов: меди, никеля, золота,серебра и др.
Втонкопленочной технологии микроэлектроники электроосаждение применяют дляизготовления многослойных металлических масок, повышения проводимостивнутрисхемных соединений, создания жестких и балочных выводов ИМС, золочениякорпусов. Метод электроосаждения широко применяется также для получения тонкихмагнитных пленок, используемых в качестве элементов памяти.
Анодноеокисление – взаимодействие химически активных металлов сионами кислорода, выделяющимися у анода при электролизе с образованием оксиднойпленки. Процесс анодного окисления, или анодирование, имеет много общего сэлектролитическим осаждением. Аппаратурное оформление этих методов практическиодинаково, однако в данном случае пленки образуются на аноде, которым являетсяподложка.
В процессе анодирования происходит электролитическая
реакция соединениякислорода с металлом в приповерхностных слоях подложки. При этом металл анодане растворяется, как в случае электроосаждения, а при взаимодействии скислородом образует плотно сцепленную с подложкой оксидную пленку. Механизмроста пленки заключается в переносе ионов кислорода через растущий оксидныйслой под воздействием электрического поля, возникающего в пленке в случаеприложения к электродам напряжения от внешнего источника. Скорость ростаоксидной пленки зависит от природы электролита, условий проведения процесса –электрического режима и температуры. Толщина оксидной пленки при анодированиипропорциональна количеству электричества, прошедшего через ванну.
В технологиимикроэлектроники путем анодирования получают оксидные пленки из тантала иалюминия. При этом сначала на подложку вакуумным методом наносится пленкаисходного металла, которая впоследствии подвергается локальному анодированию.Процесс получения оксидных пленок анодированием состоит из первоначальнойформовки при постоянной плотности тока и окончательной формовки при постоянномнапряжении. Такое ведение процесса обусловлено тем, что с ростом толщины пленкиее возрастающее сопротивление приводит к снижению силы тока.
Особенностьюполучения анодированных пленок является их рост в условиях приложенногоэлектрического поля, напряженность которого достигает 107 В/см.Такие пленки харктеризуются высокой электрической прочностью, поэтому ихиспользуют в качестве изолирующих и диэлектрических слоев.
Вакуумноенанесение пленок тантала и алюминия с последующим анодированием позволяетсоздавать высококачественные пленочные конденсаторы и изолирующие слои примногослойной разводке. Основным преимуществом при этом является получениеразличных пленочных структур из одинаковых исходных материалов.
В технологиимикроэлектроники анодирование используют также для получения необходимогозначения сопротивления пленочных танталовых резисторов путем превращенияверхнего проводящего слоя тантала в непроводящий оксид тантала.
Изготовлениепечатных плат электрохимическим методом.
Назначениепечатных плат и способы их изготовления.
Непрерывноеразвитие всех отраслей приборостроения обусловило значительное расширениеобласти применения электролитических и химических покрытий. Детали из пластмассс металлическими покрытиями широко используются в радиотехническойпромышленности и других областях народного хозяйства. Особо большое значениепроцессы металлизации полимерных материалов приобрели в производстве печатныхплат.
Печатнаяплата представляет собой плоское изоляционное основание, на одной или на обеихсторонах которого расположены токопроводящие полоски металла (проводники) всоответствии с заданной электрической схемой. Для монтажа на платурадиоэлементов служат отверстия в плате, которые в зависимости от назначениямогут быть металлизированы. Металлизированные монтажные отверстия служат такжедля электрического соединения проводников, расположенных на обеих сторонахплаты.
Кпечатным платам предъявляют ряд существенно важных требований по величинесопротивления изоляции диэлектрических материалов, по точности расположениямонтажных отверстий и проводников и т.д. Одним из главных требований,предъявляемых к платам, является достаточная прочность слоя металлизации вотверстиях из диэлектрического материала, а также обеспечение способности кпайке поверхности металлического слоя, что достигается соответствующим выборомгальванического покрытия и технологией металлизации. Поэтому в производствепечатных плат особое внимание уделяется правильному выполнению операцийхимико-электролитической металлизации диэлектрических материалов и качествуметаллических покрытий на проводниках и в отверстиях. Изготовление печатныхплат может осуществляться различными способами: вытравливания,электрохими-ческого или химического осаждения, комбинированным.
Приэлектрохимическом (химическом) способе изготовления печатной платы исходнымматериалом служит нефольгированный диэлектрик, в котором предварительносверлятся отверстия в соответствии с заданной монтажной схемой. Защитныйрисунок схемы наносят таким образом, чтобы открытыми оставались те участки,включая отверстия, которые подлежат металлизации для образования проводников
иконтактных площадок. Создание проводниковых слоев осуществляется вначалеметодом химического осаждения меди, а затем электролитического осаждения медиили других металлов для получения слоя толщиной 35 – 50 мкм.
Гальваническое меднение
Гальваническое меднение является важнейших операцийтехнологического производства плат. Гальваническим осаждением меди создаетсянеобходимый по толщине слой металла в отверстиях и на проводниках печатной.Качество медного слоя, его распределение по толщине определяют качествометаллизации и экономические показатели производства. Минимальная толщина слоямеди в отверстиях определена в 25 мкм. При малых толщинах медиметаллизированные отверстия получаются механически непрочными и посленескольких перепаек деталей легко разрушаются. Кроме того, при малой толщинеслой меди бывает очень пористым, в результате чего в процессе пайки через порыпроникают газообразные продукты из диэлектрика и водяные пары, что влечет засобой плохую смачиваемость припоя и недоброкачественную пайку выводоврадиодеталей в отверстиях. Характерной особенностью меднения печатных платявляется наличие большого количества отверстий, подвергаемых металлизации,поэтому электролиты меднения должны обладать хорошей рассеивающей способностью ив тоже время допускать применение повышенной плотности тока в цепяхинтенсификации процессов.
Наличие фоторизистов или защитных красок, которыемогут взаимодействовать с электролитом, что влечет за собой накопление вредныхпримесей органических веществ. Основным фактором, определяющим выборэлектролита, является отношение толщины платы к диаметру отверстий, что имеетособое значение при меднении многослойных печатных плат, когда число слоевможет доходить до 20, а толщина платы до 5 мм.
В производственной практике используют сульфатный,борфтористоводородный и пирофосфатный электролиты.
В пирофосфатном электролите медь находится в видесложного комплекса K6Cu(P2O7)2,который образуется при добавлении избытка пирофосфата калия по реакции
Cu2P2O7 + 3 K4P2O7® 2K6Cu(P2O7)2
Пирофосфатный комплекс и свободный пирофосфат калияявляются основными компонентами электролита. В качестве добавочных компонентоввводятся соли азотной кислоты и аммиак. Введение нитратов способствует повышению анодной
плотности тока,препятствуя разряду водородных ионов, которые связываются на катоде в ионы NH4+пореакции
NO3- + 10H+ + 8e ®NH4+ + 3H2O
Катионыаммония содействуют более интенсивному растворению медных анодов, препятствуяобразованию пассивных пленок.
Равномерноеосаждение меди на поверхности платы и на отверстиях может быть обеспечено припостоянной подаче свежего электролита. При жестком закреплении платы накатодной штанге, совершающей возвратно– поступательное движение обеспечиваетсяхороший обмен электролита в отверстиях. Наиболее характерный дефект медногоосадка, возникающий из-за плохого перемешивания, заключается в образованиигрубых «подгорелых» и шероховатых слоев меди в отверстиях.
Так же важенхороший контакт платы с подвеской и подвески с катодной штангой. Ухудшениеконтакта в любой из указанных точек приводит к тому, что толщина меди на даннойплате оказывается меньше расчетной. Потеря контакта влечет за собой частичноеили полное растворение меди, осевшей в начальный период электролиза. Это явлениепроисходит из=за того, что медненная поверхность платы, не будучи поляризованакатодно, становиться анодом по отношению к соседним платам, имеющим хорощийконтакт с катодной штангой. Для обеспечения хорошего контакта всех платнеобходимо, чтобы платы присоединялись к подвеске с помощью резьбовогосоединения, а контактирующая часть подвески и штанги периодически очищались отокислов.
Печатныеплаты, подвергающиеся меднению, являются всегда источником попаданияорганических примесей в электролит вследствие наличия на их поверхностизащитных красок, лаков, фоторезистов и других органических материалов.
Органическиепримеси обуславливают образование блестящих и полублестящих полос на меднойповерхности, получение более напряженных хрупких осадков меди, растрескивающихсяпри термоударах.
Удалениенакапливающихся со временем органических примесей производят периодической илинепрерывной фильтрацией электролита через активированный уголь. Пирофосфатныеэлектролиты, будучи щелочными и нагретыми до температуры 60 — 80°С,более агрессивно воздействуют на органические материалы и более нуждаются вобработке активированным углем.
Гальваническиепокрытия.
Гальваническоеосаждение различных металлов на проводники и стенки металлизированных отверстийприменяются в следующих целях:
1. Получениястойкого в травильных растворах покрытия для защиты проводников иметаллизированных отверстий от вытравливания.
2. Обеспечениепайки радиоэлементов на платы с применением малоактивных (некоррозионных)флюсов.
3. Получениепокрытия с минимальным переходным сопротивлением для контактируемых элементовпечатной платы в виде так называемых печатных разъемов, переключателей и т.п.Практическое применение в производстве печатных плат нашли следующие видыпокрытий: сплав олово – свинец, серебро, золото, палладий.
Сплаволово – свинец. Сплав олово – свинец, содержащийолово в количестве 60 ± 5% является самым дешевым иэффективным покрытием в производстве плат. Это покрытие хорошо защищает отвытравливания проводники и стенки отверстий при использовании в качестветравителей растворов на основе персульфата аммония или хлорита натрия. Покрытиесплавом олово – свинец, будучи оплавлено, обладает наилучшей способностью к пайке по сравнению с другими видами
покрытий, что являетсяочень важным при монтаже на плату радиокомпонентов и их групповой пайке на«волне» расплавленного припоя ПОС-60.
Дляобеспечения указанных выше свойств принимается толщина покрытия 12 – 15 мкм.Для электролитического осаждения сплава могут использоваться различные типыэлектролитов: фторборатные, кремнистофторводородные, фенолсульфоновые. Однаконаиболее простыми в приготовлении и стабильными в работе являются фторборатные.Основным требованием, предъявляемым к электролиту для получения сплава, являетсямаксимальное постоянство состава сплава, осажденного как на поверхности платы,так и в отверстиях. Состав сплава при электролитическом осаждении значительнозависит от катодной плотности тока и чем она выше, тем больше содержится болееэлектроотрицательного металла. При покрытии плат плотность тока в отверстиях в3 – 4 раза меньше, чем плотность тока на поверхности. Обеспечить постоянствосостава сплава при различных плотностях тока можно введением добавокповерхностно-активных веществ и применением электролита с повышеннойконцентрацией борфтористоводородной кислоты. Наличие в электролите двухповерхностно-активных веществ способствует также улучшению рассеивающейспособности, что позволяет получить разброс покрытий по толщине впределах 5 – 10%.
Попадание вэлектролит ионов меди в качестве примеси, что встречается в практике врезультате плохой промывки при переносе плат из ванны меднения в ванну покрытиясплавом, ухудшает способность покрытия к пайке. Наличие в электролитемельчайших частиц пыли и других металлических загрязнений приводит к повышеннойпористости покрытий. Пористость создает возможность кислороду проникать до медии окислять ее, вследствие чего сокращается период хранения плат до выполненияопераций пайки. Оплавление покрытий решает несколько проблем. Оно обуславливаетполучение истинного сплава типа припоя ПОС 60, устраняет пористость покрытияи,
кроме того,расплавленный металл в процессе оплавления стекает на оголенные боковые участкипроводника, образовавшиеся после травления.
Оплавлениепокрытия из сплава олово – свинец производят погружением в горячее масло илиглицерин, однако более эффективным является нагрев с помощью инфрокрасногоизлучения в установках, в которых перемещаются транспортером через камеру,оборудованную достаточно мощным источником инфракрасного излучения. Передоплавлением платы подвергают флюсованию, а для удаления остатков флюса послеоплавления платы тщательно промывают водой.
Покрытиезолотом проводников печатной платы является хорошейзащитой от вытравливания при использовании любых травильных растворов. Однакоприменение золотого покрытия для этой цели не оправдано из-за высокой стоимостизолота.
Золотоепокрытие применяют только для той части некоторых плат, которые служатконечными контактами (ламелями) печатных разъемов. Толщина слоя золота наламелях должна быть достаточной, чтобы обеспечить стойкость против истиранияпри многократных сочленениях платы с соединительной колодкой, в которойпроисходит контактирование ламелей с пружинящими контактами. При толщинезолотого покрытия 2 – 3 мкм обеспечивается 800 – 1000 сочленений плат ссоединительной колодкой. С целью исключения возможности диффузии меди в золотоепокрытие и ухудшения в результате этого переходного электрическогосопротивления на медный проводник наносят подслой никеля толщиной 9 – 12 мкм.Никелевое покрытие должно быть гладким, поэтому целесообразно осаждать его вэлектролитах блестящего никелирования.
Для золоченияприменяют кислые электролиты, приготовленные из золота в виде дицианаурата KAu(CN)2.
Покрытиесеребром используется в качестве защитного покрытияпроводников и металлизированных отверстий наряду с покрытием сплавом олово –свинец.
Недостаткомсеребряного покрытия является не только его дефицитность и высокая стоимость,на и снижение сопротивления изоляции диэлектриков из-за способности серебрамигрировать в диэлектрические материалы. Серебряные покрытия значительно хужеподдаются пайке, чем оловянно-свинцовый сплав, поэтому при монтажерадиокомпонентов серебряные проводники на платах принято обслуживать горячимспособом сплава ПОС-60. Осаждение серебра производится обычно в цианистых илидицианаргентатных электролитах, которые будучи сильнощелочными, в значительнойстепени разрушают фоторезисты, краски и т.п. материалы, используемые для защитыпробельных мест.
Заключение
Микроэлектроникаоснована на комплексном использовании физических, химических, технологических идругих исследований. Основным достижением микроэлектроники является созданиепринципиально новых технологических процессов на основе применения различныхполупроводниковых, диэлектрических и проводящих материалов. Изделиямикроэлектроники — интегральные микросхемы, большие интегральные схемы идр., стали основной современной базой микроэлектронной аппаратуры, отличающейсявысокой надежностью и технико-эксплуатационными характеристиками, низкойстоимостью.
Список литературы
1. Аваев Н.А.,Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. «Основы микроэлектроники».
2. БеленькийМ.А., Иванов А.Ф. «Электроосаждение металлических покрытий».
3. БерезинА.С., Мочалкина О.Р. «Технология и конструирование интегральных микросхем».
4. ГинбергА.М. «Технология гальванотехники».
5. ЕфимовИ.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. «Микроэлектроника. Физические итехнологические основы, надежность».
6. ЕрмолаевЮ.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. ЭндерлайнР. «Микроэлектроника для всех».