СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ Российский патент 1994 года по МПК H05K3/18 

Изобретение относится к способам изготовления печатной платы аддитивным методом посредством воздействия лазерного излучения на диэлектрический материал подложки и химического наращивания медного слоя проводников и может найти применение в производстве печатных плат в электронной, радиотехнической и других отраслях промышленности.

Известен способ изготовления печатной платы аддитивным методом на полимерном материале основы с помощью лазера и гальванотехническим наращиванием проводников, в котором участки поверхности, подлежащие покрытию слоем меди, вспениваются лазерным излучением, вся поверхности активируется традиционным способом, активированная поверхность промывается водой, гальваническим способом осаждается медь, а несцепленная медь удаляется.

Недостатком этого способа является ограниченность его применения только к пенообразующим материалам и необходимость удаления меди с пробельных мест.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ оптической регистрации информации на слоях термочувствительных солей меди, включающий подготовку поверхности диэлектрической подложки, нанесение и сушку активатора (тонкого, термочувствительного слоя солей меди), избирательный по рисунку проводников печатной платы нагрев лазерным излучением термочувствительного слоя до пороговой температуры термохимической реакции и химическое наращивание медного слоя на получившихся каталитически активных центрах (С. Б. Баев и др. Оптическая регистрация информации на слоях термочувствительных солей меди. Квантовая электроника, 1984, N 2, 11, с. 385-386).

Недостатком известного способа является невысокая сила адгезии проводников к подложке, поскольку она определяется в основном адсорбцией мелкодисперсной меди, получаемых в результате лазерного термолиза активатора при ≈100^оС, к поверхности подложки. Такая температура, получаемая при плотности лазерного излучения ≈ 0,03 Дж/см², практически не изменяет физико-химические свойства поверхности подложки и сила сцепления наращиваемых проводников обуславливается только качеством предварительной подготовки поверхности.

Способ оптической регистрации информации на слоях термочувствительных солей меди, описанный в статье С. Г. Баева и др. , выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Целью изобретения является повышение адгезии проводников к диэлектрической подложке, что в конечном счете приводит к повышению плотности печатных плат.

Поставленная цель достигается тем, что воздействием лазерного излучения на поверхность диэлектрической подложки со слоем активатора (термочувствительных солей меди) достигают температуры испарения материала подложки, в результате чего увеличивается скорость термохимической реакции в активаторе и часть паровой смеси продуктов реакции и материала подложки абсорбирует в нагретый участок поверхности подложки. Кроме того, с целью повышения количества каталитических центров на факел паровой смеси продуктов реакции и материала подложки воздействуют направленным на нормали к поверхности потоком газа. С целью увеличения концентрации активных центров на поверхность подложки наносят слой активатора толщиной, соизмеримой с толщиной испаряемого слоя материала подложки.

При линейной скорости перемещения подложки, равной 2 м/с относительно лазерного луча, время его локального взаимодействия с поверхностью подложки составляет 20 мкс. За это время температура материала подложки в фокальной области луча достигает величины порядка 1000^оС, что приводит к резкому увеличению скорости термохимической реакции в слое активатора и возникновению интенсивного нестационарного испарения материала подложки. Паровая смесь продуктов термохимической реакции активатора и испарившегося материала подложки образует характерный факел над местом воздействия лазерного излучения с подложкой. Паровая смесь выбрасывается вверх и в стороны, а распределение продуктов в пространстве определяется законом подобия теплового взрыва с учетом давления высокоэнергетичного пучка лазерного излучения. Часть паровой смеси врезается в размягченный лазерным излучением материал подложки, что приводит к абсорбции активных центров в материал подложки. Сила сцепления абсорбционных частиц с подложкой значительно больше адсорбированных. Некоторая часть паровой смесиН адсорбируется на поверхности подложки. В результате испарения части материала подложки на последней формируются шероховатые микроборозды вдоль перемещения лазерного луча шириной от 10 до 30 мкм и глубиной до 10 мкм в зависимости от материала подложки и плотности излучения. Микрошероховатость этих борозд, абсорбция и адсорбция каталитически активных центров в этих бороздах обеспечивают требуемую силу адгезии проводников к диэлектрической подложке. Описанные выше процессы происходят при плотностях излучения 1-10 Дж/см² в зависимости от теплофизических характеристик материала подложек. Поскольку большая часть массы паровой смеси продуктов термохимической реакции активатора и материала подложки выбрасывается вверх, то для увеличения количества каталитически активных центров, оседающих на поверхность шероховатых микроборозд, целесообразно изменить основную траекторию разлетающейся массы, т. е. изменить угловое распределение продуктов в пространстве. Такое воздействие на факел паровой смеси осуществляют путем направленной струи газа, например струей воздуха, направленной перпендикулярно поверхности подложки. Давление газа, его расход и выбор оптимального угла струи к поверхности определяются экспериментальным путем и зависят от материала подложек, плотности энергии лазерного луча и других характеристик. В результате изменения траектории частиц паровой смеси на подложке увеличивается количество активных частиц, что приводит к увеличению надежности метода, ускорению процесса химического меднения и повышению адгезии проводников к подложке.

В известном способе, выбранном в качестве прототипа, производят подготовку поверхности диэлектрической подложки путем придания ей шероховатости с целью обеспечения смачиваемости ее активатором и достижения необходимой адгезии проводников к подложке за счет развития поверхности сцепления. В предлагаемом способе подготовка поверхности производится только с целью обеспечения смачиваемости ее активатором. В предельном случае в предлагаемом способе можно вообще исключить подготовку поверхности путем введения в активатор добавок, делающих его сродственным с поверхностью подложки и обеспечивающих ее смачиваемость. Необходимая адгезия проводников к подложке в предлагаемом способе обеспечивается в процессе воздействия лазерного излучения на материал подложки за счет образования требуемой шероховатости.

В известном способе толщина активатора не превышает 1 мкм, что обусловлено малой энергией пороговой записи ( ≈0,03 Дж/см²), обеспечивающей пороговую температуру (≈ 100^оС) термохимической реакции в активаторе. Такая температура не ведет к разрушению материала подложки, поэтому лазерное излучение не изменяет физико-химические свойства подложки. Увеличение толщины активатора при данной энергии записи привело бы к нестабильности термохимической реакции в активаторе и, следовательно, к снижению качества изготовленной печатной схемы. В предлагаемом способе толщина пленки активатора на поверхности подложки влияет только на концентрацию получаемых каталитически активных центров и не отражается на стабильности термохимической реакции, поскольку эта реакция ускоренно проходит в процессе испарения материала подложки. Практически оптимальная толщина пленки активатора должна быть соизмерима с толщиной испаряемого слоя материала подложки, т. е. в пределах 1-5 мкм. Такой объем термочувствительных солей меди обеспечивает большую концентрацию каталитически активных центров, что повышает скорость осаждения на них химической меди, надежность процесса и величину адгезии проводников к подложке.

Для воспроизведения предлагаемого способа в качестве источника излучения применяют СО₂-лазер ЛГ-25Б с мощностью непрерывного излучения 25 Вт и длиной волны 10,6 мкм. Излучение этой длины волны хорошо поглощается практически всеми диэлектриками. Сканирование модулированного и сфокусированного лазерного луча производят на лазерном гравировальном автомате (ЛГА) цилиндрического типа "Копия-2" с регулируемой скоростью вращения цилиндров, что обеспечивает регулировку величины энергии воздействия излучения на подложку. Плотность энергии воздействия излучения на подложку регулируется путем фокусирования луча до диаметра фокального пятна в пределах 40 мкм.

П р и м е р 1. В качестве подложки берут лавсановую глянцевую пленку марки ПЭТ-Э100 ГОСТ 4234-80 толщиной 75 мкм. В исходном состоянии поверхность пленки гидрофобна и не смачивается активатором. Для того, чтобы поверхность пленки покрывалась активатором, производят ее подготовку, например, путем подтравливания концентрированной серной кислотой или другим известным способом. Качество подготовки поверхности подложки оценивается степенью шероховатости, которая обычно должна соответствовать 7-8 классу чистоты со средним арифметическом отклонением профиля 1,25 мкм, леофильными свойствами (угол смачивания в пределах 30^о), наличием функциональных групп и другими свойствами.

После подтравливания подложку тщательно промывают водой и сушат до полного высыхания. Затем производят операцию нанесения активатора (термочувствительного раствора), например, следующего состава, г/л:
Фосфорноватистокислый кальций 130
Сернокислая медь 170
35% -ный водный аммиак 200
Дистиллированная вода Остальное
Лавсановую подложку окунают в раствор активатора при 20-25^оС на время 3-5 мин и затем извлекают из раствора в вертикальном положении со скоростью 3-5 мин/с. После этого производят сушку, например, в термошкафу при 50-80^оС в течение 5-10 мин. На поверхности подложки образуется кристаллическая пленка термочувствительных солей меди. Затем подложку закрепляют на формном цилиндре лазерного гравировального автомата, устанавливают скорость вращения такой, чтобы линейная скорость подложки относительно записывающей головки была, например, 3-4 м/с, что соответствует плотности энергии записи 2-3 Дж/см², и производят запись лазерным лучом топологии проводящего рисунка. При необходимости с помощью капилляра сжатым воздухом воздействуют на факел паров продуктов термохимической реакции активатора и материала подложки под углом, близким к прямому по отношению к поверхности подложки. В результате на подложке образуется хорошо контролируемый визуально рисунок схемы печатной платы темно-коричневого цвета. Под микроскопом хорошо просматриваются микроборозды глубиной 5-10 мкм, заполненные продуктами термического разложения активатора.

После этого подложку погружают в традиционный раствор химического меднения, медь осаждается на каталитически активных центрах и частицах мелкодисперсной меди, расположенных в микробороздах, и на подложке создается медный проводящий рисунок печатной платы. Известным методом толстослойного химического меднения добиваются требуемой толщины проводников. После этого печатная плата на лавсановой подложке передается на последующие технологические операции.

П р и м е р 2. В качестве подложки берут нефольгированный стеклотекстолит типа СТФ толщиной 0,2 мм и подвергают ее гидроабразивной обработке по известным технологиям и на традиционных установках, например, типа БЛАСТ. После обработки поверхность подложки содержит углубления с эффективным радиусом 0,60-0,67 мкм. Такой степени микрошероховатости достаточно для обеспечения смачиваемости подложки из стеклотекстолита раствором активатора. Операция нанесения активатора и его состав аналогичны предыдущему примеру. Затем подложку устанавливают на формном цилиндре ЛГА и, поскольку связующее вещество стеклотекстолита обладает большей теплотой испарения и теплоемкостью, чем лавсан, устанавливают линейную скорость 1,5-2 м/с, что соответствует плотности энергии 8-10 Дж/см², которая достаточна для испарения тонкого слоя стеклотекстолита. Топология проводящего рисунка записывается в результате локальной термохимической реакции и испарения поверхностного слоя под воздействием сканирующего модулированного лазерного излучения. Глубина микроборозд была 5-7 мкм, рисунок схемы хорошо контролируется визуально. После традиционного химического меднения стеклотекстолитовая подложка с медным проводящим рисунком передается на последующие операции.

Примером практической реализации предлагаемого способа изготовления печатных плат может служить изготовление опытно-промышленной партии гибких печатных кабелей на лавсановой основе в количестве 10 тыс. штук. Проведенные типовые испытания кабелей показали их соответствие требованиям ГОСТ 23752-79, величина адгезии медных проводников к лавсановой основе была не хуже 3-4 Н/з мм. Производственные испытания кабелей показали их соответствие техническим требованиям на изделия. (56) Квантовая электроника, 1984, N 2, 11, с. 385-386.

Использование: технология изготовления печатных плат. Сущность изобретения: при избирательной обработке термочувствительного слоя лазерным излучением для получения на заготовке каталитически активных центров для последующего химического меднения выбирают такую плотность лазерного излучения, которая обеспечивает в фокальной области луча температуру испарения материала подложки. На паровую смесь продуктов термохимической реакции активатора и испарения материала в виде факела воздействуют направленным по нормали к поверхности подложки потоком газа. Поскольку создание на поверхности подложки активных центров металлизации производится путем испарения, то на подложку наносят повышенную дозу активатора, т. е. слой активатора по толщине соизмерим с толщиной испаряемого слоя материала подложки. В результате такого воздействия лазерного излучения на подложке образуются по рисунку схемы шероховатые микроборозды с внедренными в них активными центрами, что снижает требования к предварительной подготовке поверхности и повышает адгезию химически осажденных проводников. 2 з. п. ф-лы.

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ, включающий подготовку поверхности диэлектрической подложки, нанесение на нее термочувствительного слоя соли меди, избирательный нагрев слоя путем обработки лазерным излучением по рисунку проводников, химическое осаждение меди на обработанные участки, отличающийся тем, что, с целью повышения плотности платы за счет увеличения адгезии проводников к подложке, избирательный нагрев лазерным излучением проводят до температуры испарения материала подложки. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе обработки лазерным излучением на обрабатываемые участки воздействуют струей газа, направленной перпендикулярно поверхности подложки. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термочувствительный слой наносят толщиной 1 - 5 мкм.