Металлизация отверстий в печатных платах
При разработке собственной конструкции, а также и при повторении фабричного изделия часто возникает необходимость в металлизации отверстий в печатной плате, поначалу я вставлял перемычки из многожильного провода или фольги и распаивал их на обе стороны, но это было все не то. При работе с SMD элементами эти перемычки стали мешать да и вид у платы получался кустарный.
Изучение технологии металлизации (материалы имеются в интернете) показало что дело это вовсе не трудное, а при наличии реактивов в кладовке выполнимо минут за 40.
Теперь собственно к процессу:
Заводской способ предусматривает координатное сверление отверстий, химическое нанесение медного покрытия, гальваническое его усиление, защиту свинцовым сплавом и наконец травление дорожек. Эта схема имеет то преимущество, что она обеспечивает гальваническую обработку отверстий в дорожках в последующем отделенных от массы, тем более что соответствующая опция по выводу на печать отдельно отверстий имеется в применяемой мной классной программе "Sprint-Layot 3.0R" (скачать можно с СКР). Однако возникают трудности с защитой отверстий во время травления и совмещение трафарета при переносе изображения при "лазерной" технологии. Но в большинстве случаев в радиолюбительской практике используется односторонний монтаж с оставлением второго слоя металлизации под общую шину поэтому я вначале перевожу рисунок , травлю дорожки а потом сверлю отверстия сверлом диаметром немного меньше чем необходимо при выбранной заготовки платы(по технологии диаметр отверстия не должен быть меньше 0.3-0.5 от толщины платы). Далее обе стороны защищаются нитроэмалью, а отверстия рассверливаются до номинального размера.
Следующий этап связан с реактивами:
-олово двухлористое (можно получить растворив олово в соляной к-те)
-хлорид палладия (с успехом можно заменить на хлорид платины или, в крайнем случае, азотнокислым серебром)
-Медный купорос (сульфат меди4)
-Калий-натрий виннокислый (калий-натрий тартрат, сегнетова соль)
-Гидрооксид натрия (натрий едкий)
-формалин 40% (я использую раствор полученный из параформа)
В каждое отверстие наносится вначале 10% р-р двухлористого олова подкисленного соляной кислотой (удобно для этой цели применять инсулиновый шприц выдавливая маленькие капли в отверстия и размазывая их по стенкам иглой).
После выдержки раствора в течении 5-х минут плата промывается водой и подсушиватся, а затем тем же способом туда наносится подкисленный 1% раствор хлорида благородного металла. В это время готовим следующий раствор для хим. меднения:
в 100 мл. кипяченой воды растворяем 1,5 гр. медного купороса, в полученный раствор добавляем 5 гр. сегнетовой соли и растворяем ее, после этого растворяем 1,5 гр. гидрооксида натрия и приливаем в сосуд 2 мл.формалина (после добавления формалина раствор надо использовать сразу и готовить его в потребном количестве так как он не сохраняется ).
Переносим плату в вышеописанный раствор и проводим металлизацию совершая периодическое покачивание заготовки с целью промывки потоком реактива через отверстия. В раствор можно добавить каплю моющего средства для посуды типа "Доси" для облегчения удаления пузырьков газа с поверхности металлизации. Минут через 15 заканчиваем хим. меднение и переносим плату в раствор для гальванического наращивания меди:
10 гр. медного купороса растворяется в 100 мл. воды и туда доливаем 1 см.куб.серной кислоты (электролита для свинцовых автомобильных аккумуляторов).Металлизацию проводим при подвешивании платы на катоде, а на аноде завешивается полоска меди. Ток выбирается в пределах 2 Ампер на кв. дециметр металлизируемой поверхности. Через 15 мин нанесение металла можно прекратить и смыть растворителем или при помоши скребка и мелкозернистой наждачной бумаги защитное эмалевое покрытие. На этом можно закончить и приступить к монтажу элементов, предварительно проверив качество соединения противолежащих проводников связанных металлизацией.
Я же совмещаю процесс лужения платы и отверстий опуская её в расплав сплава Розе под слоем активного флюса немецкого производства по составу напоминающего вазелин.
Описанным способом можно покрывать металлом и другие неметаллические материалы, я покрывал сегнетокерамику.
Это не единственный метод металлизации отверстий в ПП. В настоящее время существуют более прогрессивные методы например такой: термохимический метод беспалладиевой металлизации,. Процесс проводится в растворе (г/л): кальций фосфорноватисто-кислый — 130 . 170, медь сернокислая пятиводная — 200 . 250, гипофосфат аммония — 6 . 10, аммиак (25 %) — 200 . 300 мл/л. После обработки платы выдерживаются в термошкафу при 100 . 150 °С в течение 8 . 10 мин. В результате термического разложения комплексной соли гипофосфита меди на поверхности ПП и в монтажных отверстиях образуется электропроводящее покрытие, которое служит основой для электрохимического наращивания металла.
При экспериментах с указанным составом (я не вводил гипофосфат аммония) удавалось металлизировать отверстия, но первый "мокрый" способ показался мне стабильнее.
Металлизация отверстий в печатных платах
При разработке собственной конструкции, а также и при повторении фабричного изделия часто возникает необходимость в металлизации отверстий в печатной плате, поначалу я вставлял перемычки из многожильного провода или фольги и распаивал их на обе стороны, но это было все не то. При работе с SMD элементами эти перемычки стали мешать да и вид у платы получался кустарный.
Изучение технологии металлизации (материалы имеются в интернете) показало что дело это вовсе не трудное, а при наличии реактивов в кладовке выполнимо минут за 40.
Теперь собственно к процессу:
Заводской способ предусматривает координатное сверление отверстий, химическое нанесение медного покрытия, гальваническое его усиление, защиту свинцовым сплавом и наконец травление дорожек. Эта схема имеет то преимущество, что она обеспечивает гальваническую обработку отверстий в дорожках в последующем отделенных от массы, тем более что соответствующая опция по выводу на печать отдельно отверстий имеется в применяемой мной классной программе "Sprint-Layot 3.0R" (скачать можно с СКР). Однако возникают трудности с защитой отверстий во время травления и совмещение трафарета при переносе изображения при "лазерной" технологии. Но в большинстве случаев в радиолюбительской практике используется односторонний монтаж с оставлением второго слоя металлизации под общую шину поэтому я вначале перевожу рисунок , травлю дорожки а потом сверлю отверстия сверлом диаметром немного меньше чем необходимо при выбранной заготовки платы(по технологии диаметр отверстия не должен быть меньше 0.3-0.5 от толщины платы). Далее обе стороны защищаются нитроэмалью, а отверстия рассверливаются до номинального размера.
Следующий этап связан с реактивами:
-олово двухлористое (можно получить растворив олово в соляной к-те)
-хлорид палладия (с успехом можно заменить на хлорид платины или, в крайнем случае, азотнокислым серебром)
-Медный купорос (сульфат меди4)
-Калий-натрий виннокислый (калий-натрий тартрат, сегнетова соль)
-Гидрооксид натрия (натрий едкий)
-формалин 40% (я использую раствор полученный из параформа)
В каждое отверстие наносится вначале 10% р-р двухлористого олова подкисленного соляной кислотой (удобно для этой цели применять инсулиновый шприц выдавливая маленькие капли в отверстия и размазывая их по стенкам иглой).
После выдержки раствора в течении 5-х минут плата промывается водой и подсушиватся, а затем тем же способом туда наносится подкисленный 1% раствор хлорида благородного металла. В это время готовим следующий раствор для хим. меднения:
в 100 мл. кипяченой воды растворяем 1,5 гр. медного купороса, в полученный раствор добавляем 5 гр. сегнетовой соли и растворяем ее, после этого растворяем 1,5 гр. гидрооксида натрия и приливаем в сосуд 2 мл.формалина (после добавления формалина раствор надо использовать сразу и готовить его в потребном количестве так как он не сохраняется ).
Переносим плату в вышеописанный раствор и проводим металлизацию совершая периодическое покачивание заготовки с целью промывки потоком реактива через отверстия. В раствор можно добавить каплю моющего средства для посуды типа "Доси" для облегчения удаления пузырьков газа с поверхности металлизации. Минут через 15 заканчиваем хим. меднение и переносим плату в раствор для гальванического наращивания меди:
10 гр. медного купороса растворяется в 100 мл. воды и туда доливаем 1 см.куб.серной кислоты (электролита для свинцовых автомобильных аккумуляторов).Металлизацию проводим при подвешивании платы на катоде, а на аноде завешивается полоска меди. Ток выбирается в пределах 2 Ампер на кв. дециметр металлизируемой поверхности. Через 15 мин нанесение металла можно прекратить и смыть растворителем или при помоши скребка и мелкозернистой наждачной бумаги защитное эмалевое покрытие. На этом можно закончить и приступить к монтажу элементов, предварительно проверив качество соединения противолежащих проводников связанных металлизацией.
Я же совмещаю процесс лужения платы и отверстий опуская её в расплав сплава Розе под слоем активного флюса немецкого производства по составу напоминающего вазелин.
Описанным способом можно покрывать металлом и другие неметаллические материалы, я покрывал сегнетокерамику.
Это не единственный метод металлизации отверстий в ПП. В настоящее время существуют более прогрессивные методы например такой: термохимический метод беспалладиевой металлизации,. Процесс проводится в растворе (г/л): кальций фосфорноватисто-кислый — 130 . 170, медь сернокислая пятиводная — 200 . 250, гипофосфат аммония — 6 . 10, аммиак (25 %) — 200 . 300 мл/л. После обработки платы выдерживаются в термошкафу при 100 . 150 °С в течение 8 . 10 мин. В результате термического разложения комплексной соли гипофосфита меди на поверхности ПП и в монтажных отверстиях образуется электропроводящее покрытие, которое служит основой для электрохимического наращивания металла.
При экспериментах с указанным составом (я не вводил гипофосфат аммония) удавалось металлизировать отверстия, но первый "мокрый" способ показался мне стабильнее.
Продолжение описания процесса металлизации отверстий в домашних условиях начатое в первой части.
Напоминаю: РАБОТАЕМ В ПЕРЧАТКАХ!
Применительно к данному этапу ВАЖНО ПОМНИТЬ СЛЕДУЮЩЕЕ:
1. ЗАГОТОВКИ РУКАМИ КАСАТЬСЯ НЕЛЬЗЯ, ДАЖЕ В ПЕРЧАТКАХ!
2. ОТКРЫТАЯ ЕМКОСТЬ С АКТИВАТОРОМ ЯВЛЯЕТСЯ ИСТОЧНИКОМ АММИАКА! ДЕРЖИТЕ ГОЛОВУ ПОДАЛЬШЕ ОТ НЕЕ!
Приборы и инструменты:
1. Электропечь или аэрогриль. От них требуется возможность оперативно регулировать температуру. Если у вас есть термостатированная (хотя бы до +-5 градусов) печь или печь способная выдерживать температуру по заданному профилю (например, покупная/самодельная печь для пайки SMD) это даже лучше. Если такой печи нет и, в лучшем случае, имеется лишь «показометр» в виде регулятора или термометра с точностью +- пол-слона, то понадобится так же термометр способный мерять температур в диапазоне до 200 градусов. Термопара и тестер вполне подойдут.
2. Медицинский зажим (лучше длинный). Кто не в курсе, эта штука выглядит вот так: 
Материалы:
1. Моющее средство с мягким абразивом.
2. Моющее средство без абразива.
Вот тот комплект моющих средств, которым я сейчас пользуюсь: 
3. Две мягких губки, одна используется с первым моющим средством, другая — со вторым. И путать их не желательно.
4. Самая мелкозернистая шкурка, какую удастся найти или абразивный брусок (твердый поролон с нанесенным абразивом) с наибольшим номером (то есть наименьшим размером зерна).
Подготовка платы к процессу активации делается так:
1. Сверлим все отверстия в заготовке, причем сразу нужного диаметра. Сверлить нужно твердосплавными сверлами и на станке (дремель со станиной для сверления вполне подходит, думаю, с аналогичной проксоновской конструкцией, равно как и с самодельными сверлильными станками проблем не будет тоже).
Если сверлить несколько заготовок сразу или под заготовку подкладывать кусок ненужного стеклотекстолита, то заготовки не будут требовать зачистки отверстий совсем, так что шаг #3 можно пропустить. Следует помнить, что «подкладку» не стоит использовать дважды, в местах, где уже есть отверстия она работать не будет и появятся заусенцы. Ну и есть заметный риск сломать сверло.
2. Тщательно проверяем все отверстия на предмет попавшей стружки, завернувшихся заусенцев и прочего.
3. Зачищаем заготовку шкуркой или абразивным бруском. Особых усилий прикладывать не нужно, достаточно довести поверность меди непосредственно вокруг отверстий до уровня остальной меди (на ощупь отверстия перестают ощущаться как выступающие).
4. Тшательно промываем заготовку и проверяем чистоту отверстий. При необходимости отверстия нужно тщательно прочистить и еще раз промыть. На вид все отверстия одного диаметра должны выглядеть одинаково.
5. Моем заготовку губкой с абразивным моющим средством. Тщательно проходимся по всей поверхности заготовки, включая углы и края.
6. Тщательно промываем плату под струей воды. Когда моющее средство смыто с обеих сторон, еще раз проходимся струей воды по отверстиям, удерживая плату перпендикулярно струе, таким образом давая ей возможность промыть отверстия. По окончании промывки вода должна «липнуть» к заготовке, стекая с нее крайне неохотно. Если это не так, повторяем пункти #5 и #6 до получения нужного результата. На выходе этого шага заготовка выглядит примерно так: 
Самый правый ряд отверстий (увы, его плохо видно даже на полноразмерной фотке) имеет диаметр 0.3.
7. Тщательно стряхиваем воду с заготовки и начинаем обрабатывать активатором. Для этого емкость с активатором открываем и удерживая заготовку за края или за углы не торопясь опускаем ее в активатор, но ни в коем случае не касаемся дна (там есть нерастворенный гипофосфит, который может вступать в реакцию с незащищенной медью). Через 2-3 секунды так же не торопясь приподнимаем заготовку так, что бы ее поверхность оказалась чуть выше поверхности активатора. При этом вокруг отверстий слой активатора быстро светлеет, поскольку активатора протекает в отверстия и слой тановится тоньше. Необходимо убедиться, что это произошло вокруг всех отверстий. Вокруг совсем мелких отверстий, типа 0.2-0.3-0.4, это происходит с некоторой задержкой, все-таки жидкости требуется некоторое время, что бы протечь через такое маленькое отверстие. Если этого не произошло, так же плавно опускаем заготовку в активатор на 2-3 секунды и так же плавно приподнимаем. Таких повторов имеет смысл делать 3-4, не больше и как только все отверстия смочились активатором, обработку следует закончить (см. следующий шаг). Если этого не произошло, то имеет место проблема с отверстиями, следует смыть активатор под струей воды и вернуться к шагу #4.
8. Как только все отверстия смочены активатором, поднимаем заготовку над активатором и поворачиваем одним углом вниз и даем возможность излишкам активатора стечь обратно в емкость. Касаясь углом заготовки стенки емкости с активатором (обеими сторонами) снимаем излишки жидкости. Особо усердствовать тут не надо, достаточно будет если активатор не будет капать сам с горизонтально расположенной заготовки. Отверстия продувать тоже не нужно. Если в каком-то из отверстий пленка активатора лопнула, ничего страшного, но самому что-либо делать для очистки отверстий не нужно.
9. Как только излишки активатора стекли в емкость, закрываем емкость с активатором, а заготовку наклоняем под разными углами, стараясь дать возможность активатору растечься как можно равномернее. В процессе заготовка потихоньку подсыхает и активатор перетекает все менее охотно. Как только активатор более-менее ровно распределен по поверхности можно переходить к термообработке. На выходе этого шага заготовка должна выглядеть примерно так: 
10. Кладем плату в печь на подставки (я использую маленькие обрезки 2-мм стеклотекстолита), которые касаются заготовки только на самых краях (и ни в коем случае не на отверстиях). Сверху, при необходимости, устанавливаем спай термопары. Его нужно установить подальше от отверстий, но так, что бы он непосредственно касался платы.
11. Включаем нагрев и доводим температуру до 125 (+-5) градусов. При этой температуре заготовку нужно выдержать не менее 10 минут, лучше 12-15. К концу этого интервала плата приобретает следующий вид: 
(сорри, из-за засветки от лампы аэрогриля сделать снимок получше не удается, а когда лампа гаснет, то тоже слишком темно, что бы увидеть цвет заготовки).
12. Доводим температуру до 175 (+-5) градусов и выдерживаем при такой температуре 5 минут, лучше 7-8.
13. По истечении времени выключаем печь и открываем крышку (но заготовку не трогаем) давая заготовке остыть. Заготовка при этом выглядит примерно так: 
Как только ее температура опустится ниже 100 градусов, заготовку можна доставать. Для этого удобно пользоваться зажимом. Желательно не сильно усердствовать (зажимом довольно легко повредить фольгу на плате) и брать плату за самый край.
14. Слегка ополаскиваем плату в горячей, а затем в теплой воде. После этого снимаем зажим приступаем к отмывке.
15. На плату наливаем много моющего средства без абразива и мягкой губкой легонько начинаем отмывать (пока без воды). Затем переворачиваем плату и повторяем с другой стороны. Затем смываем пену полностью, ополаскиваем мочалку и снова наливаем моющее средство. Теперь мочалкой продавливаем моющее средство сквозь все отверстия, стараясь ничего не пропустить. Наконец смываем всю пену и промываем еще раз заготовку струей воды, стараясь промыть все отверстия. На выходе плата должна выглядеть примерно так: 
Во время отмывки усилий прикладывать не нужно, так же не нужно отмывать все до единого пятна. Что смылось, то смылось, что нет, то нет. Попытка отмыть все вероятнее всего приведет к обрыву электрического контакта с медью в отверстиях и к браку. На простоту отмывки и качество заготовки на выходе напрямую влияет равномерность исходного слоя активатора. Применение абразивов на этом этапе также не желательно по той же причине.
Вот, собственно, и все, плата готова к гальванике.
P.S. Заготовка, на которой делались фотки, после 5 минут гальваники (3А/дм2): 
Если присмотреться, можно заметить, что отверстия в плате имеют ровный слой меди. Крошечные участки не закрытые медью в самых больших отверстиях затянутся еще за 3-4 минуты.
Update Крупным планом:
До гальваники: 
После гальваники: 
Платы снимались еще мокрые, так что в отверстиях есть вода, она несколько мешает разглядеть подробности.
