WO2020204745A1 - Method for forming copper conductors for printed circuit board - Google Patents

Method for forming copper conductors for printed circuit board Download PDF

Info

Publication number
WO2020204745A1
WO2020204745A1 PCT/RU2019/000215 RU2019000215W WO2020204745A1 WO 2020204745 A1 WO2020204745 A1 WO 2020204745A1 RU 2019000215 W RU2019000215 W RU 2019000215W WO 2020204745 A1 WO2020204745 A1 WO 2020204745A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
anodizing
copper plating
copper
stage
solution
Prior art date
Application number
PCT/RU2019/000215
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Екатерина Евгеньевна АЛЯСОВА
Алексей Викторович ОСИН
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Русоксид" (Ооо "Русоксид")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Русоксид" (Ооо "Русоксид") filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Русоксид" (Ооо "Русоксид")
Priority to PCT/RU2019/000215 priority Critical patent/WO2020204745A1/en
Publication of WO2020204745A1 publication Critical patent/WO2020204745A1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02Anodisation
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
    • H05K1/02Details
    • H05K1/03Use of materials for the substrate
    • H05K1/05Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/44Manufacturing insulated metal core circuits or other insulated electrically conductive core circuits

Definitions

  • the invention relates to methods for forming conductors on a surface and can be used in radio engineering and electronics, in particular, power electronics, automotive electronics, in the manufacture of semiconductor modules, one-sided and double-sided printed circuit boards, hybrid integrated circuits.
  • the main problem to be solved by the claimed invention is the formation of a layer of copper conductors with a thickness of at least 280-310 microns on the surface of the dielectric layer of aluminum oxide, which in turn is formed on an aluminum substrate for a printed circuit board with high adhesion of the copper layer to the dielectric layer of aluminum oxide , as well as the elimination of problems of poor-quality installation of electronic elements on the surface of the printed circuit board, such as various soldering defects, welding through the copper layer, or defects associated with insufficient adhesion of the copper layer to the surface of the dielectric layer of the printed circuit board, which leads to the separation of the copper layer during the soldering process electronic components or when using a printed circuit board.
  • Another problem addressed by the present invention is overheating of the substrate of the printed circuit board, which reduces the life of electronic devices using such boards.
  • To increase the service life of electronic devices it is necessary to ensure efficient heat removal from printed circuit boards, on which powerful electronic components are located, in connection with which new technical and design solutions for the manufacture of printed circuit boards and methods for their cooling are currently emerging.
  • substrates for printed circuit boards either various dielectric materials are used, such as fiberglass and getinax, or aluminum, the surface of which is coated dielectric material.
  • aluminum is used with a porous dielectric layer of aluminum oxide formed on its surface, the pores of which are filled with a dielectric material.
  • dielectric materials suitable for filling the pores of alumina organosilicon compounds, polyamides, polyimides, and similar polymer compounds are widely used.
  • RF patent N * 2471020 discloses a method of applying a copper galvanic coating on parts made of aluminum and its alloys, including anodic oxidation in an aqueous solution containing orthophosphoric and sulfuric acids, electroplating from a sulfuric acid electrolyte of copper plating.
  • Anodic oxidation is carried out at an anodic current density of 1-2 A / dm 2 , and before applying the coating by electrodeposition, a sublayer is applied from a solution of the composition, g / l:
  • the disadvantage of this known method is that the use of electrolyte solutions based on phosphoric and sulfuric acid in the process of anodic oxidation does not allow the oxidation process to be carried out at high voltages, for example, 100-150 V, and to obtain a layer of anodic aluminum oxide with a thickness of more than 100 ⁇ m.
  • the copper coating obtained on the surface of the substrate has good adhesion to the base of the aluminum substrate; however, the thickness of such a coating does not exceed 9 ⁇ m, which does not allow high-quality mounting of electronic elements on the surface of such a substrate.
  • RF patent N ! 2214483 discloses a method for electrolytic copper plating of aluminum products, including coating in an electrolyte containing, g / l:
  • the coating is applied in two stages of electrolysis with interruption of the current between them.
  • the preliminary exposure in the electrolyte is carried out for 1-3 minutes.
  • a copper layer is applied at a current density of 0.2-0.4 A / dm 2 , a break is made for 1-3 minutes, and the second stage of electrolysis is carried out at a current density of 0.3-1.0 A / dm 2 ...
  • the resulting coating is evenly distributed over the surface of the aluminum substrate, but the thickness of such a coating does not exceed 12 ⁇ m, which also does not allow high-quality installation of electronic elements on the surface of such a substrate and the use of such a substrate for the production of power printed circuit boards.
  • the objective of the present invention is to develop a method for forming copper conductors on the surface of a porous dielectric layer of alumina formed on an aluminum substrate by anodic oxidation and impregnated with a dielectric material, which will provide high adhesion of a copper layer with a thickness of at least 280-310 ⁇ m to the surface of dielectric alumina, and also high breakdown voltage.
  • This makes it possible to obtain printed circuit boards with a high breakdown voltage and a layer of copper conductors with a thickness of at least 280-310 microns, and on the surface of such a printed circuit board it is possible to carry out high-quality assembly of electronic elements, as well as to use such a printed circuit board in power electronics.
  • the technical result consists in increasing the adhesion of copper conductors to the dielectric layer of aluminum oxide on the surface of the aluminum substrate, as well as providing the possibility of conducting high-quality mounting of electronic elements on the surface of a printed circuit board including copper conductors formed by the method according to the invention.
  • a dielectric layer is formed on the surface of the aluminum substrate by deep porous anodic oxidation of aluminum (anodization) in an acidic solution at an anodization voltage value selected from the range of 100-180 V in two stages of anodization.
  • a photoresist is applied to the surface of the obtained alumina, the necessary topology of the substrate is formed, and then the second stage of anodizing is carried out, with the second anodizing parameters including at least anodizing voltage, anodizing time and solution temperature.
  • the pores of the obtained anodic porous alumina are impregnated with a dielectric material.
  • a layer of copper with a thickness of 280-310 microns is applied.
  • the temperature of the solution is increased stepwise to a value 2-10 times higher than the temperature of the solution used in the first stage of anodizing.
  • the copper layer is electroplated in two stages with the parameters of copper plating, including at least the current strength of copper plating, the temperature of the copper plating solution and the time of copper plating to obtain a copper layer with a thickness of 280-310 ⁇ m, while at the second stage of copper plating the current strength is increased by at least 10 times compared with that at the first stage of copper plating.
  • an aluminum alloy of grade A1100H18 with a thickness of about 3.0 mm, preferably with a surface roughness Ra of not more than 0.3 ⁇ m, can be used as a substrate.
  • the surface of the aluminum substrate is pretreated in an alkali solution, followed by clarification in a nitric acid solution, or a mixture of solutions of nitric and hydrofluoric acids.
  • anodizing is carried out in a 2-6% solution of oxalic acid, the first stage of anodizing being carried out at a solution temperature of 3-10 ° C, and the second stage of anodizing at a temperature of 20-28 ° C.
  • the anodizing time in the first anodizing step is at least 10 minutes. It is also preferred if the anodizing time in the second anodizing step is at least 45 minutes.
  • an auxiliary layer of anodic porous alumina with a thickness of 20-30 ⁇ m is formed prior to the application of the photoresist.
  • the pores of the obtained aluminum oxide can be additionally modified (etched) in a solution of phosphoric acid at a temperature of 30-50 ° C for 5-15 minutes. It is preferable if, after the second stage of anodization, the pores of the obtained alumina are activated in a nitric acid solution at a temperature of 15-25 ° C for 1.5-3.5 minutes.
  • the pores are impregnated with a dielectric material, in particular, using ultrasound with a frequency of, for example, at least 20 kHz. After such impregnation with the use of ultrasound, it is advisable to dry the dielectric material with gentle heating, for example, up to 250-290 ° C, and subsequent smooth cooling.
  • the value of the copper plating current not more than 2 A / dm 2 , the temperature of the copper plating solution 20-22 ° C, and the copper plating time in the range of 20-40 minutes, with the formation of a copper layer 10-20 ⁇ m thick. It is also preferable if, in the second stage of copper plating, the magnitude of the copper plating current is selected at no more than 20 A / dm 2 , the solution temperature is 38-42 ° C, and the copper plating time is in the range of 150-170 minutes, with the formation of a copper layer with a thickness of 280-310 ⁇ m ...
  • Another object of the present invention is a printed circuit board comprising an aluminum substrate with a layer of copper conductors formed on the aluminum substrate by the method described above or any of its particular variants.
  • the claimed printed circuit board is characterized by high breakdown voltage and the presence of a layer of copper conductors with a thickness of at least 280-310 microns, which allows high-quality assembly of electronic elements on the surface of such a printed circuit board, in particular, when using such a printed circuit board in power electronics.
  • FIG. 1 is a micrograph of the surface of an aluminum substrate with a layer of anodic alumina with an ordered pore structure.
  • FIG. 2 is a micrograph of the surface of an aluminum substrate with a layer of anodic alumina with an ordered pore structure.
  • FIG. 3 is a micrograph of the surface of an aluminum substrate with a layer of anodic alumina with an ordered pore structure.
  • FIG. 4 is a graphical representation of the pore structure of anodic alumina.
  • FIG. 5 is a graphical representation of the pore structure of anodic alumina.
  • FIG. 6 is a micrograph of the surface of an aluminum substrate with a layer of anodic aluminum oxide, where the pores are modified in a solution of phosphoric acid to form a funnel.
  • FIG. 7 is a micrograph of the surface of an aluminum substrate with an anodic alumina layer, where the pores are activated in a nitric acid solution.
  • a method for forming copper conductors on the surface of an aluminum substrate for a printed circuit board includes several steps.
  • the surface of the aluminum substrate is anodized to form a dielectric layer of aluminum oxide on it.
  • the pores of aluminum oxide are impregnated with a dielectric material, and then a copper layer is applied to the surface of the dielectric layer by the copper plating process to obtain a copper layer, in particular, with a thickness of 280-310 ⁇ m.
  • Anodizing is carried out in solution at an anodizing voltage value selected in the range from 100 to 180 V, and anodizing, in turn, includes two stages of anodizing, between which a photoresist is applied to the surface of the obtained aluminum oxide, and the necessary topology of the substrate is also formed.
  • the first anodizing step is carried out with first anodizing parameters including at least anodizing voltage, anodizing time and solution temperature, to obtain alumina.
  • the second stage of anodizing is carried out with second anodizing parameters, including at least anodizing voltage, anodizing time and solution temperature, to obtain alumina of the required porosity.
  • second anodizing parameters including at least anodizing voltage, anodizing time and solution temperature, to obtain alumina of the required porosity.
  • the temperature is stepped up to a higher value than the temperature of the solution in the first stage of anodizing.
  • the temperature of the solution at the second stage of anodizing is 2-10 times higher than the temperature of the solution at the first stage of anodizing.
  • the stage of copper plating is transferred, in which a copper layer is applied to the surface of the said dielectric layer by the copper plating process to obtain a copper layer with a thickness of 280-310 ⁇ m.
  • the copper plating process also includes two stages of copper plating.
  • the first stage of copper plating is carried out with the first parameters of copper plating, including at least the strength of the copper plating current, the time of copper plating, the temperature of the solution and the composition of the electrolyte solution.
  • the second stage of copper plating is carried out with the second parameters of copper plating, including at least the current strength of copper plating, the time of copper plating, the temperature of the solution and the composition of the electrolyte solution, and the current strength of the copper plating in the second stage of copper plating is at least 10 times higher than the current strength of the copper plating in the first stage of copper plating.
  • the surface of the aluminum substrate is pretreated for 5-15 minutes in an alkali solution (7-13% sodium hydroxide solution) at a temperature of 25-35 ° C, washed and clarified in a solution of 15-25% nitrogen acid for 2-5 minutes at a temperature of 25-35 ° C.
  • the method of acid etching and degreasing in a mixture of nitric acid in an amount of 350-600 g / l and hydrofluoric acid in an amount of 80-120 g / l at a temperature of 15-30 ° C for 15-45 seconds is preferable that the surface of the prepared aluminum substrate be sufficiently smooth, in particular, characterized by a roughness parameter Ra of no more than 0.3 ⁇ m.
  • an electrolyte for anodizing you can use, for example, 2-6% aqueous solution of oxalic acid.
  • said first anodizing step is carried out at a solution temperature of 3-10 ° C, and said second anodizing step at a temperature of 20-28 ° C.
  • the duration of the first anodizing step can be at least 10 minutes.
  • an auxiliary layer of anodic, possibly (but not necessarily) porous, aluminum oxide with a thickness of about 20-30 ⁇ m is obtained on the surface of the aluminum substrate, which provides the surface roughness of the substrate necessary for confident fixation of a layer of dry film photoresist on it, and also prevents the destruction of the dielectric layer of aluminum oxide during subsequent acid etching.
  • the topology of dielectric substrates is formed - the bases for future printed circuit boards.
  • those areas that should not be subjected to subsequent anodizing i.e. the second stage of anodizing
  • those areas that should not be subjected to subsequent anodizing i.e. the second stage of anodizing
  • areas for further machining (milling) areas between printed circuit boards, etc.
  • Blanks of printed circuit boards with photolithographically formed areas for anodizing are sent to the second stage of anodizing, as a result of which a layer of porous anodic aluminum oxide with a thickness of about 120-160 ⁇ m is formed.
  • the second stage of anodizing is carried out in the same electrolyte and applying the same voltage that was used in the first stage of anodizing.
  • the temperature of the electrolyte solution is 20-22 ° C, and then the temperature is raised stepwise by 2 ° C every 30-90 minutes.
  • the duration of the second stage of anodizing is 45-250 minutes.
  • the value of the anodizing voltage at the first stage of anodizing and the second stage of anodizing is selected in the range of 100-180 V.
  • anodizing in fact, porous anodic oxidation
  • cells, or clusters anodizing 350-500 nm in size with a certain pore geometry are formed.
  • a layer of anodic porous alumina is obtained with a minimum porosity of about 5-10% at the interface between aluminum and alumina and a higher porosity of 15-20% in the surface layer and an ordered pore structure with a diameter of 100-150 nm, which implies a large amount of alumina phase and a low content of pores with a diameter of less than 100 nm (see Fig. 1, 2, 3).
  • d2 is the distance between the centers of the pores.
  • the porosity is calculated based on the geometric parameters of the pore using the formula (1): p ⁇ X 100% (1)
  • the pores of the obtained alumina are modified (etched) in a solution of 3-10% phosphoric acid at a temperature of 30-50 ° C for 5-15 minutes.
  • the pore openings acquire a funnel-like shape (see Fig. B). Modification of the pores to achieve a funnel shape ensures effective penetration of the dielectric material into a narrow portion of the pores.
  • the substrate is thoroughly washed with deionized water, dried with gentle heating to 120 ° C for 1-2 hours, kept at 120 ° C for 30-45 minutes and slowly cooled at room temperature to 25-40 ° FROM.
  • the process of pore activation can be carried out in a 5-10% solution of nitric acid at a temperature of 15-25 ° C for 1.5-3.5 minutes.
  • the activation of the pores makes it possible to slightly expand the pores of aluminum oxide without disturbing the structure of its surface, thereby ensuring effective filling of the pores with a dielectric material.
  • the cooled blanks of printed circuit boards are placed in an ultrasonic bath filled with a dielectric material, porous anodic alumina is impregnated with it for 15-30 minutes at room temperature, in a preferred embodiment, when ultrasound is applied with a frequency of at least 20 kHz.
  • dielectric material organosilicon, polyamide, polyimide varnishes and similar polymer compounds having dielectric properties can be used.
  • the uniform distribution of the dielectric material in the pores of the anodic aluminum oxide makes it possible to increase the breakdown voltage of the dielectric layer.
  • the pores of alumina are filled by the following mechanism.
  • the blanks of the printed circuit boards are carefully wiped with a lint-free cloth and placed in a polymerization oven, where the dielectric material is dried at temperatures up to 250-290 ° C with gentle heating and cooling, as a result of which the dielectric material becomes solid.
  • the remaining varnish is mechanically cleaned from the front surface of the aluminum substrate with a dielectric layer of aluminum oxide, the surface is degreased with ethyl alcohol and, preferably, a sublayer of chromium with a thickness of 0.5-1 microns and copper 0.8-2 microns is vacuum deposited in a conventional way magnetron sputtering to form a contact surface for subsequent galvanic copper deposition.
  • a copper layer is formed on the surface of the aluminum substrate by a conventional electroplating method.
  • an electrolyte based on sulfuric acid and copper sulfate is used.
  • Various additives can be present in the electrolyte to provide gloss and uniformity of the coating.
  • Copper plating is carried out in two stages.
  • the magnitude of the copper plating current is preferably not more than 2 A / dm 2 .
  • the time of copper plating at the first stage of copper plating is chosen in the range of 20-40 minutes, and the temperature of the solution is 20-22 ° C.
  • a reinforced copper layer is formed (relative to the copper layer applied by vacuum deposition) with a coating thickness of 10-20 microns.
  • the current strength of the copper plating is preferably not more than 20 A / dm 2 .
  • the time of copper plating in the second stage of copper plating is selected in the range of 150-170 minutes, and solution temperature - 38-42 ° ⁇ .
  • the composition of the electrolyte of the second stage of copper plating is shown in Table 2. As a result of the second stage of copper plating, the thickness of the copper layer increases to 280-310 microns.
  • the required topology of the printed circuit board is formed on the obtained copper layer with a thickness of 280-310 microns by the acid etching method generally accepted in the technology of printed circuit boards.
  • the process of calcination is carried out with a smooth heating from 20 to 250 ° C and sharp cooling to 20 ° C.
  • the preferred calcination mode is shown in Table 3.
  • the resulting copper layer is annealed.
  • the ductility of copper increases.
  • the layer of dielectric material which impregnates the pores of the anodic aluminum oxide, melts, and at the same time, the metal sublayer of chromium (if used) is partially immersed in the dielectric material and fixed in it, which significantly increases the adhesion of copper conductors to the dielectric layer and allows you to confidently use the resulting substrates in the installation of various electronic components.
  • Double-sided and one-sided printed circuit boards with the structure of copper conductors formed according to the claimed invention have a breakdown voltage of more than 4-6 kV, which makes it possible to use them in power electronics, the manufacture of semiconductor modules, in automotive electronics, etc.
  • examples 1-6 disclose possible specific embodiments of the invention.
  • the surface of a sheet of aluminum grade A1100H18 with a thickness of 3 mm and a size of 245x330 was treated for 5 minutes in a solution of 10% sodium hydroxide at a temperature of 30 ° C. After washing the sheet clarified in a solution of 20% nitric acid for 5 minutes at a temperature of 30 ° C. After surface treatment, the substrate was anodized in an electrolyte based on 3% oxalic acid at a voltage of 120 V for 10 minutes at a temperature of 5 ° C. As a result, a 20- ⁇ m-thick primary aluminum oxide layer was formed on the substrate surface.
  • a dry film photoresist was applied to the PCB blank, the required topology of the dielectric substrate was formed by photolithography, and the second stage of anodizing was carried out in an electrolyte based on 3% oxalic acid at a voltage of 120 V for 180 minutes and an initial electrolyte temperature of 20-22 ° C.
  • anodizing was carried out for 60 minutes, after which the electrolyte temperature was increased stepwise every 60 minutes to a value of 26-28 ° C.
  • a highly ordered porous structure of anodic aluminum oxide with a thickness of 120 ⁇ m was formed.
  • the resulting oxide was thoroughly washed in deionized water, the layer of dry film photoresist was removed by conventional methods, and the oxide of porous anodic alumina was modified in a 5% orthophosphoric acid solution at 40 ° C for 5 minutes.
  • the porous alumina was thoroughly washed with deionized water, dried with gentle heating to 120 ° C for 1.5 hours, kept at 120 ° C for 30-45 minutes, and slowly cooled at room temperature to 25-40 ° C.
  • the cooled blanks of printed circuit boards were placed in an ultrasonic bath filled with a dielectric organosilicon varnish KO-921, and porous anodic alumina was impregnated with it for 20 minutes at room temperature at an ultrasonic vibration frequency of at least 20 kHz.
  • the blanks of the printed circuit boards were removed from the varnish, carefully wiped with a lint-free cloth and placed in a polymerization oven, where the dielectric silicone varnish was dried with gentle heating. to a temperature of 280 ° C and subsequent smooth cooling to room temperature.
  • the remaining varnish was mechanically removed from the front surface of the technological workpiece, it was degreased with ethyl alcohol, and the conventional method of magnetron sputtering was carried out by vacuum deposition of a chromium sublayer with a thickness of 0.7 ⁇ m and copper 1 ⁇ m.
  • a copper layer with a thickness of at least 300 ⁇ m was formed by electroplating in two stages according to the modes indicated in Table 4.
  • Example 2 The surface of a sheet of aluminum grade A1100H18 with a thickness of 3 mm and a size of 245x330 was treated in a mixture of solutions of nitric acid in an amount of 600 g / l and hydrofluoric acid in an amount of 80 g / l at a temperature of 30 ° C for 45 seconds. After surface treatment, the substrate was anodized in an electrolyte based on 3% oxalic acid at a voltage of 130 V for 15 minutes at a temperature of 10 ° C. As a result, a primary layer of aluminum oxide with a thickness of 25 ⁇ m was formed on the substrate surface.
  • a dry film photoresist was applied to the PCB blank, the required topology of the dielectric substrate was formed by photolithography, and the second stage of anodizing was performed in an electrolyte based on 2% oxalic acid at a voltage of 130 V for 200 minutes and an initial electrolyte temperature of 20-22 ° C.
  • anodizing was carried out for 60 minutes, after which the electrolyte temperature was increased stepwise every 60 minutes to a value of 26-28 ° C.
  • a highly ordered porous structure of anodic aluminum oxide with a thickness of 130 ⁇ m was formed.
  • the resulting oxide was thoroughly washed in deionized water, the dry film photoresist layer was removed by conventional methods, and the pores of the porous anodic alumina oxide were activated in 5% nitric acid solution at 25 ° C for 3.5 minutes. After activation, the surface of porous alumina was thoroughly washed with deionized water, dried with gentle heating to 120 ° C for 1.5 hours, kept at 120 ° C for 30-45 minutes, and slowly cooled at room temperature to 25-40 ° C.
  • the cooled blanks of printed circuit boards were placed in an ultrasonic bath filled with a dielectric organosilicon varnish KO-921, and porous anodic alumina was impregnated with it for 20 minutes at room temperature at an ultrasonic vibration frequency of at least 20 kHz.
  • the PCB blanks were removed from the varnish, carefully wiped with a lint-free cloth and placed in a polymerization oven, where they were dried.
  • dielectric organosilicon varnish at a temperature with gentle heating up to 280 ° C and subsequent smooth cooling to room temperature.
  • the remaining varnish was mechanically removed from the front surface of the technological workpiece, it was degreased with ethyl alcohol, and the conventional method of magnetron sputtering was carried out by vacuum deposition of a chromium sublayer with a thickness of 0.7 ⁇ m and copper 1 ⁇ m.
  • a copper layer with a thickness of 280 ⁇ m was formed by electroplating in two stages according to the modes indicated in Table 5.
  • the required topology was formed on it using the acid etching method generally accepted in the technology of printed circuit boards, and then calcination was carried out according to the mode specified in Table 3.
  • Example 3 The surface of a sheet of aluminum grade A1100N18 with a thickness of 3 mm, size 245x330 was treated for 5 minutes in a solution of 12% sodium hydroxide at a temperature of 28 ° C, after washing the sheet was clarified in a solution of 25% nitric acid for 3 minutes at a temperature of 25 ° C ... After surface treatment, the substrate was anodized in an electrolyte based on 2% oxalic acid at a voltage of 150 V for 12 minutes at a temperature of 7 ° C. As a result, a 28- ⁇ m-thick primary aluminum oxide layer was formed on the substrate surface.
  • a dry film photoresist was applied to the PCB blank, the required topology of the dielectric substrate was formed by photolithography, and the second stage of anodizing was carried out in an electrolyte based on 2% oxalic acid at a voltage of 150 V for 220 minutes and an initial electrolyte temperature of 20-22 ° C.
  • anodizing was carried out for 60 minutes, after which the temperature of the electrolyte was increased stepwise every 60 minutes to a value of 2b-28 ° C.
  • a highly ordered porous structure of anodic aluminum oxide with a thickness of 145 ⁇ m was formed.
  • the resulting oxide was thoroughly washed in deionized water, the dry film photoresist layer was removed by conventional methods, and the pores of the porous anodic alumina oxide were activated in a 10% nitric acid solution at 25 ° C for 2 minutes. After activation, the surface of porous alumina was thoroughly washed with deionized water, dried with gentle heating to 120 ° C for 1.5 hours, kept at 120 ° C for 30-45 minutes and slowly cooled at room temperature to 25-0 ° C.
  • the cooled blanks of printed circuit boards were placed in an ultrasonic bath filled with a dielectric organosilicon varnish KO-921, and porous anodic alumina was impregnated with it for 20 minutes at room temperature at an ultrasonic vibration frequency of at least 20 kHz.
  • the blanks of the printed circuit boards were removed from the varnish, carefully wiped with a lint-free cloth and was placed in a polymerization oven, where the dielectric organosilicon varnish was dried at a temperature with gentle heating to 280 ° C and subsequent gradual cooling to room temperature.
  • the remaining varnish was mechanically removed from the front surface of the technological workpiece, it was degreased with ethyl alcohol, and the conventional method of magnetron sputtering was carried out by vacuum deposition of a chromium sublayer with a thickness of 0.7 ⁇ m and copper 1 ⁇ m.
  • a copper layer with a thickness of 310 ⁇ m was formed by electroplating in two stages according to the modes indicated in Table 6.
  • the surface of a sheet of aluminum grade A1100H18 with a thickness of 3 mm and a size of 245x330 was treated for 15 seconds in a mixture of solutions of nitric acid in an amount of 350 g / l and hydrofluoric acid in an amount of 120 g / l at a temperature of 15 ° C for 15 seconds.
  • the substrate was anodized in an electrolyte based on 2.2% oxalic acid at a voltage of 180 V for 10 minutes at a temperature of 3 ° C.
  • a primary aluminum oxide layer 30 ⁇ m thick was formed on the substrate surface.
  • anodizing was carried out in an electrolyte based on 2.2% oxalic acid at a voltage of 180 V for 170 minutes and an initial electrolyte temperature of 20 -22 ° C.
  • anodizing was carried out for 60 minutes, after which the electrolyte temperature was increased stepwise every 60 minutes to a value of 26-28 ° C, as a result of which a highly ordered porous structure of anodic alumina with a thickness of 160 ⁇ m was formed.
  • the resulting oxide was thoroughly washed in deionized water, the layer of dry film photoresist was removed by conventional methods, and the oxide of porous anodic alumina was modified in a 5% phosphoric acid solution at 0 ° C for 5 minutes. After modification, the porous alumina was thoroughly washed with deionized water, dried with gentle heating to 120 ° C for 1.5 hours, kept at 120 ° C for 30-45 minutes, and slowly cooled at room temperature to 25-40 ° C.
  • the cooled blanks of printed circuit boards were placed in an ultrasonic bath filled with a dielectric organosilicon varnish KO-921, and porous anodic aluminum oxide was impregnated with it for 20 minutes at room temperature at an ultrasonic vibration frequency of at least 20 kHz.
  • the blanks of the printed circuit boards were removed from the varnish, thoroughly wiped with a lint-free with a cloth and placed in a polymerization oven, where the dielectric organosilicon varnish was dried at a temperature with gentle heating to 280 ° C and subsequent gradual cooling to room temperature.
  • the remaining varnish was mechanically removed from the front surface of the technological workpiece, it was degreased with ethyl alcohol, and the conventional method of magnetron sputtering was carried out by vacuum deposition of a chromium sublayer with a thickness of 0.7 ⁇ m and copper 1 ⁇ m.
  • the spraying process a 300 ⁇ m thick copper layer was formed by electroplating in two stages according to the modes indicated in Table 7.
  • the required topology was formed on it by the acid etching method generally accepted in the technology of printed circuit boards, and then calcination was carried out according to the mode indicated in Table 3.
  • the obtained substrates can be used for the production of printed circuit boards, the breakdown voltage of which is more than 6 kV DC with an area of copper conductors of 0.15-0.2 dm 2 .
  • samples of electronic boards were taken, in which standard substrates with a dielectric layer of aluminum oxide 70 and 90 ⁇ m thick were used as a substrate - samples 1 and 2, respectively, and substrates obtained according to the above examples 1-4 (respectively, samples 3-b ) with a copper contact area of 0.15 dm 2 .
  • samples of printed circuit boards were dried in an oven at a temperature of 80-100 ° C for at least 20 minutes and kept at a temperature of 15 to 20 ° C in a test room for at least 4 hours.
  • the tests were carried out using a breakdown device providing a direct current supply with a voltage from 100 V to 6000 V DC. During the measurements, the voltage value at which the breakdown occurred (a sharp increase in the leakage current more than 1 mA) was recorded.
  • One probe of the voltage source was connected to the base of the sample, the other was connected in turn with all the electrical circuits of the printed circuit board (sample). The voltage rise rate was 10-15 seconds, the holding time at the test voltage was 2 seconds. Voltage was applied between selected points of the sample.
  • the breakdown of the insulating (dielectric) layer was determined by a sharp increase in the leakage current of more than 1 mA, which indicated a loss of insulation resistance.
  • the pull-off strength of the contact pads is taken as the force perpendicular to the surface of the printed circuit board necessary to separate the contact pad from the base material.
  • the tests were carried out on circular contact pads separated from the adjacent conductors. An adhesion tester (adhesion meter) was used to pull off. The force was applied until the contact pad was completely detached. The tensile strength of the contact pads was taken as the minimum result obtained when ten tested contact pads were detached from the base material.
  • the samples obtained in accordance with the present invention show high values of the adhesion strength.
  • the claimed method of forming copper conductors on the surface of the dielectric layer of alumina high adhesion of a sufficiently thick copper layer to the porous surface of dielectric alumina, where the pores are filled with a dielectric material, is ensured.
  • this makes it possible to produce printed circuit boards with a high breakdown voltage and a layer of copper conductors with a thickness of at least 280-310 ⁇ m. On the surface of such a printed circuit board, it is possible to carry out high-quality assembly of electronic elements, as well as to use such a printed circuit board in power electronics.

Abstract

The invention relates to methods for forming conductors on a surface and can be used for preparing semiconductor modules, one-sided printed circuit boards and two-sided printed circuit boards, and hybrid integrated circuits. A method for forming copper conductors on the surface of an aluminum substrate includes two steps of anodizing a surface of the aluminum substrate, between which the topology of the substrate is formed. During the second anodizing step, the temperature of the solution is raised gradually to a value 2 to 10 times greater than the value of the temperature of the solution used during the first anodizing step. Thereafter, pores of the aluminum oxide obtained are filled with a dielectric material, after which two copper-plating steps are carried out to form the conductors. During the second copper-plating step, the current strength is raised at least 10 times in relation to that during the first copper-plating step. The invention makes it possible to produce printed circuit boards with a high breakdown voltage and a layer of copper conductors which have a thickness of at least 280-310 µm for the high-quality installation of electronic parts during use of the printed circuit board in power electronics.

Description

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МЕДНЫХ ПРОВОДНИКОВ ДЛЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ METHOD FOR FORMING COPPER CONDUCTORS FOR PCB
Изобретение относится к способам формирования проводников на поверхности и может быть использовано в радиотехнике и электронике, в частности, силовой электронике, автомобильной электронике, при изготовлении полупроводниковых модулей, односторонних и двухсторонних печатных плат, гибридных интегральных схем. The invention relates to methods for forming conductors on a surface and can be used in radio engineering and electronics, in particular, power electronics, automotive electronics, in the manufacture of semiconductor modules, one-sided and double-sided printed circuit boards, hybrid integrated circuits.
Основной проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является формирование слоя медных проводников толщиной по меньшей мере 280-310 мкм на поверхности диэлектрического слоя оксида алюминия, в свою очередь сформированного на алюминиевой подложке для печатной платы с высокой адгезией слоя меди к диэлектрическому слою оксида алюминия, а также исключение проблем некачественного монтажа электронных элементов на поверхность печатной платы, таких как различные дефекты пайки, проваривание слоя меди насквозь, или дефектов, связанных с недостаточной адгезией слоя меди к поверхности диэлектрического слоя печатной платы, что приводит к отделению слоя меди в процессе пайки электронных элементов или при использовании печатной платы. The main problem to be solved by the claimed invention is the formation of a layer of copper conductors with a thickness of at least 280-310 microns on the surface of the dielectric layer of aluminum oxide, which in turn is formed on an aluminum substrate for a printed circuit board with high adhesion of the copper layer to the dielectric layer of aluminum oxide , as well as the elimination of problems of poor-quality installation of electronic elements on the surface of the printed circuit board, such as various soldering defects, welding through the copper layer, or defects associated with insufficient adhesion of the copper layer to the surface of the dielectric layer of the printed circuit board, which leads to the separation of the copper layer during the soldering process electronic components or when using a printed circuit board.
Еще одной проблемой, на решение которой направлено данное изобретение, является перегрев подложки печатной платы, что снижает срок службы электронных приборов, в которых используются такие платы. Для увеличения срока службы электронных приборов необходимо обеспечить эффективный отвод тепла от печатных плат, на которых размещены мощные электронные компоненты, в связи с чем в настоящее время появляются новые технические и конструкторские решения по изготовлению печатных плат и способов их охлаждения. Так, в качестве подложек для печатных плат используют либо различные диэлектрические материалы, такие как стеклотекстолит и гетинакс, либо алюминий, поверхность которого покрывают диэлектрическим материалом. В частности, используют алюминий с пористым диэлектрическим слоем оксида алюминия, сформированным на его поверхности, поры которого заполняют диэлектрическим материалом . Another problem addressed by the present invention is overheating of the substrate of the printed circuit board, which reduces the life of electronic devices using such boards. To increase the service life of electronic devices, it is necessary to ensure efficient heat removal from printed circuit boards, on which powerful electronic components are located, in connection with which new technical and design solutions for the manufacture of printed circuit boards and methods for their cooling are currently emerging. So, as substrates for printed circuit boards, either various dielectric materials are used, such as fiberglass and getinax, or aluminum, the surface of which is coated dielectric material. In particular, aluminum is used with a porous dielectric layer of aluminum oxide formed on its surface, the pores of which are filled with a dielectric material.
В качестве диэлектрических материалов, пригодных для заполнения пор оксида алюминия, широко применяют кремнийорганические соединения, полиамиды, полиимиды и подобные полимерные соединения. As dielectric materials suitable for filling the pores of alumina, organosilicon compounds, polyamides, polyimides, and similar polymer compounds are widely used.
Патент РФ N* 2471020 раскрывает способ нанесения медного гальванического покрытия на детали из алюминия и его сплавов, включающий анодное оксидирование в водном растворе, содержащем ортофосфорную и серную кислоты, нанесение покрытия электроосаждением из сернокислого электролита меднения. Анодное оксидирование осуществляют при анодной плотности тока 1-2 А/дм2, а перед нанесением покрытия электроосаждением наносят подслой из раствора состава, г/л: RF patent N * 2471020 discloses a method of applying a copper galvanic coating on parts made of aluminum and its alloys, including anodic oxidation in an aqueous solution containing orthophosphoric and sulfuric acids, electroplating from a sulfuric acid electrolyte of copper plating. Anodic oxidation is carried out at an anodic current density of 1-2 A / dm 2 , and before applying the coating by electrodeposition, a sublayer is applied from a solution of the composition, g / l:
медь сернокислая 5-водная - 200-250; copper sulfate 5-water - 200-250;
серная кислота - 50-70; sulfuric acid - 50-70;
плавиковая кислота - 10-15; hydrofluoric acid - 10-15;
вода - остальное, water - the rest,
в течение 2-3 мин при комнатной температуре и катодной плотности тока 1-2 А/дм2. within 2-3 minutes at room temperature and a cathode current density of 1-2 A / dm 2 .
Недостатком указанного известного способа является то, что использование растворов электролитов на основе ортофосфорной и серной кислоты в процессе анодного оксидирования не позволяет проводить процесс оксидирования при высоких значениях напряжения, например, 100-150 В, и получать слой анодного оксида алюминия толщиной более 100 мкм. Медное покрытие, полученное на поверхности подложки, обладает хорошим сцеплением с основой алюминиевой подложки, однако толщина такого покрытия не превышает 9 мкм, что не позволяет качественно осуществлять монтаж электронных элементов на поверхности такой подложки. Патент РФ N! 2214483 раскрывает способ электролитического меднения изделий из алюминия, включающий нанесение покрытия в электролите, содержащем, г/л: The disadvantage of this known method is that the use of electrolyte solutions based on phosphoric and sulfuric acid in the process of anodic oxidation does not allow the oxidation process to be carried out at high voltages, for example, 100-150 V, and to obtain a layer of anodic aluminum oxide with a thickness of more than 100 μm. The copper coating obtained on the surface of the substrate has good adhesion to the base of the aluminum substrate; however, the thickness of such a coating does not exceed 9 μm, which does not allow high-quality mounting of electronic elements on the surface of such a substrate. RF patent N ! 2214483 discloses a method for electrolytic copper plating of aluminum products, including coating in an electrolyte containing, g / l:
CuS04*5H20 - 45-55; CuS0 4 * 5H 2 0 -45-55;
Na4P2O7*10H2O - 200-240; Na 4 P 2 O7 * 10H 2 O - 200-240;
KN02 - 10-15, KN0 2 - 10-15,
при температуре 55-65°С, при этом изделия предварительно выдерживают в электролите, а покрытие наносят в две стадии электролиза с прерыванием тока между ними. Предварительную выдержку в электролите проводят в течение 1-3 мин. На первой стадии электролиза слой меди наносят при плотности тока 0,2-0, 4 А/дм2, делают перерыв в течение 1-3 мин, а вторую стадию электролиза проводят при плотности тока 0, 3-1,0 А/дм2. Полученное покрытие равномерно распределено по поверхности алюминиевой подложки, однако толщина такого покрытия не превышает 12 мкм, что также не позволяет качественно осуществлять монтаж электронных элементов на поверхность такой подложки и использовать такую подложку для производства силовых печатных плат. at a temperature of 55-65 ° C, while the products are preliminarily kept in the electrolyte, and the coating is applied in two stages of electrolysis with interruption of the current between them. The preliminary exposure in the electrolyte is carried out for 1-3 minutes. At the first stage of electrolysis, a copper layer is applied at a current density of 0.2-0.4 A / dm 2 , a break is made for 1-3 minutes, and the second stage of electrolysis is carried out at a current density of 0.3-1.0 A / dm 2 ... The resulting coating is evenly distributed over the surface of the aluminum substrate, but the thickness of such a coating does not exceed 12 μm, which also does not allow high-quality installation of electronic elements on the surface of such a substrate and the use of such a substrate for the production of power printed circuit boards.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа формирования медных проводников на поверхности пористого диэлектрического слоя оксида алюминия, сформированного на алюминиевой подложке методом анодного оксидирования и пропитанного диэлектрическим материалом, который обеспечит высокую адгезию слоя меди толщиной по меньшей мере 280-310 мкм к поверхности диэлектрического оксида алюминия, а также высокое пробивное напряжение. Это позволяет получать печатные платы с высоким пробивным напряжением и слоем медных проводников толщиной по меньшей мере 280-310 мкм, и на поверхности такой печатной платы возможно осуществлять качественный монтаж электронных элементов, а также использовать такую печатную плату в силовой электронике. The objective of the present invention is to develop a method for forming copper conductors on the surface of a porous dielectric layer of alumina formed on an aluminum substrate by anodic oxidation and impregnated with a dielectric material, which will provide high adhesion of a copper layer with a thickness of at least 280-310 μm to the surface of dielectric alumina, and also high breakdown voltage. This makes it possible to obtain printed circuit boards with a high breakdown voltage and a layer of copper conductors with a thickness of at least 280-310 microns, and on the surface of such a printed circuit board it is possible to carry out high-quality assembly of electronic elements, as well as to use such a printed circuit board in power electronics.
Технический результат заключается в повышении адгезии медных проводников к диэлектрическому слою оксида алюминия на поверхности алюминиевой подложки, а также обеспечении возможности проведения качественного монтажа электронных элементов на поверхности печатной платы, включающей медные проводники, сформированные способом согласно изобретению. The technical result consists in increasing the adhesion of copper conductors to the dielectric layer of aluminum oxide on the surface of the aluminum substrate, as well as providing the possibility of conducting high-quality mounting of electronic elements on the surface of a printed circuit board including copper conductors formed by the method according to the invention.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается за счет способа формирования медных проводников на алюминиевой подложке с формируемым на ней диэлектрическим слоем оксида алюминия. На поверхности алюминиевой подложки формируют диэлектрический слой путем глубокого пористого анодного оксидирования алюминия (анодирования) в кислом растворе при значении напряжения анодирования, выбранном из диапазона 100— 180 В, в два этапа анодирования. После первого этапа анодирования при первых параметрах анодирования, включающих по меньшей мере напряжение анодирования, время анодирования и температуру раствора, на поверхность полученного оксида алюминия наносят фоторезист, формируют необходимую топологию подложки, а затем проводят второй этап анодирования, со вторыми параметрами анодирования, включающими по меньшей мере напряжение анодирования, время анодирования и температуру раствора. Поры полученного анодного пористого оксида алюминия пропитывают диэлектрическим материалом. Далее наносят слой меди толщиной 280-310 мкм. На втором этапе анодирования температуру раствора ступенчато повышают до значения в 2-10 раз выше значения температуры раствора, использованных на первом этапе анодирования. Слой меди наносят гальваническим способом в два этапа при параметрах меднения, включающих по меньшей мере силу тока меднения, температуру раствора меднения и время меднения с получением слоя меди толщиной 280-310 мкм, при этом на втором этапе меднения силу тока увеличивают по меньшей мере в 10 раз по сравнению с таковой на первом этапе меднения. The problem is solved, and the claimed technical result is achieved due to the method of forming copper conductors on an aluminum substrate with a dielectric layer of aluminum oxide formed on it. A dielectric layer is formed on the surface of the aluminum substrate by deep porous anodic oxidation of aluminum (anodization) in an acidic solution at an anodization voltage value selected from the range of 100-180 V in two stages of anodization. After the first stage of anodizing with the first anodizing parameters, including at least anodizing voltage, anodizing time and solution temperature, a photoresist is applied to the surface of the obtained alumina, the necessary topology of the substrate is formed, and then the second stage of anodizing is carried out, with the second anodizing parameters including at least anodizing voltage, anodizing time and solution temperature. The pores of the obtained anodic porous alumina are impregnated with a dielectric material. Next, a layer of copper with a thickness of 280-310 microns is applied. At the second stage of anodizing, the temperature of the solution is increased stepwise to a value 2-10 times higher than the temperature of the solution used in the first stage of anodizing. The copper layer is electroplated in two stages with the parameters of copper plating, including at least the current strength of copper plating, the temperature of the copper plating solution and the time of copper plating to obtain a copper layer with a thickness of 280-310 μm, while at the second stage of copper plating the current strength is increased by at least 10 times compared with that at the first stage of copper plating.
Благодаря предложенному способу формирования медных проводников на поверхности алюминиевой подложки для печатной платы обеспечивается высокая адгезия достаточно толстого слоя меди к пористой поверхности диэлектрического оксида алюминия, где поры заполнены диэлектрическим материалом. В совокупности это позволяет получать печатные платы с высоким пробивным напряжением и слоем медных проводников толщиной по меньшей мере 280-310 мкм. На поверхности такой печатной платы возможно осуществлять качественный монтаж электронных элементов, а также использовать такую печатную плату в силовой электронике. Thanks to the proposed method of forming copper conductors on the surface of an aluminum substrate for a printed circuit board, high adhesion of a sufficiently thick copper layer to the porous surface of dielectric aluminum oxide, where the pores filled with dielectric material. Taken together, this makes it possible to produce printed circuit boards with a high breakdown voltage and a layer of copper conductors with a thickness of at least 280-310 μm. On the surface of such a printed circuit board, it is possible to carry out high-quality assembly of electronic elements, as well as to use such a printed circuit board in power electronics.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается также в предпочтительных вариантах исполнения изобретения, некоторые из которых перечислены ниже. The problem is solved, and the claimed technical result is also achieved in preferred embodiments of the invention, some of which are listed below.
Так, в качестве подложки может быть использован алюминиевый сплав марки А1100Н18 толщиной примерно 3,0 мм, предпочтительно с шероховатостью поверхности Ra не более 0,3 мкм. Thus, an aluminum alloy of grade A1100H18 with a thickness of about 3.0 mm, preferably with a surface roughness Ra of not more than 0.3 μm, can be used as a substrate.
Является предпочтительным, если поверхность алюминиевой подложки предварительно обрабатывают в растворе щелочи с последующим осветлением в растворе азотной кислоты, или смесью растворов азотной и плавиковой кислот. It is preferable if the surface of the aluminum substrate is pretreated in an alkali solution, followed by clarification in a nitric acid solution, or a mixture of solutions of nitric and hydrofluoric acids.
В одном из вариантов исполнения изобретения анодирование проводят в 2-6%-ом растворе щавелевой кислоты, причем первый этап анодирования проводят при температуре раствора 3-10°С, а второй этап анодирования при температуре 20-28 °С. При этом предпочтительно, если время анодирования на первом этапе анодирования составляет по меньшей мере 10 минут. Также предпочтительно, если время анодирования на втором этапе анодирования составляет по меньшей мере 45 минут. In one embodiment of the invention, anodizing is carried out in a 2-6% solution of oxalic acid, the first stage of anodizing being carried out at a solution temperature of 3-10 ° C, and the second stage of anodizing at a temperature of 20-28 ° C. In this case, it is preferable if the anodizing time in the first anodizing step is at least 10 minutes. It is also preferred if the anodizing time in the second anodizing step is at least 45 minutes.
В предпочтительном варианте исполнения изобретения перед нанесением фоторезиста формируют вспомогательный слой анодного пористого оксида алюминия толщиной 20-30 мкм. In a preferred embodiment of the invention, an auxiliary layer of anodic porous alumina with a thickness of 20-30 μm is formed prior to the application of the photoresist.
После завершения второго этапа анодирования поры полученного оксида алюминия могут дополнительно модифицировать (растравливать) в растворе ортофосфорной кислоты при температуре 30-50 °С в течение 5-15 минут. Предпочтительно, если после второго этапа анодирования поры полученного оксида алюминия активируют в растворе азотной кислоты при температуре 15-25°С в течение 1,5-3, 5 минут. After the completion of the second stage of anodizing, the pores of the obtained aluminum oxide can be additionally modified (etched) in a solution of phosphoric acid at a temperature of 30-50 ° C for 5-15 minutes. It is preferable if, after the second stage of anodization, the pores of the obtained alumina are activated in a nitric acid solution at a temperature of 15-25 ° C for 1.5-3.5 minutes.
Пропитку пор осуществляют диэлектрическим материалом, в частном варианте - с использованием ультразвука с частотой, например, по меньшей мере 20 кГц. После такой пропитки с использованием ультразвука целесообразно провести высушивание диэлектрического материала при плавном нагреве, например, до 250- 290°С, и последующем плавном охлаждении. The pores are impregnated with a dielectric material, in particular, using ultrasound with a frequency of, for example, at least 20 kHz. After such impregnation with the use of ultrasound, it is advisable to dry the dielectric material with gentle heating, for example, up to 250-290 ° C, and subsequent smooth cooling.
На первом этапе меднения предпочтительно выбирают величину силы тока меднения не более 2 А/дм2, температуру раствора меднения 20-22°С, а время меднения в диапазоне 20-40 минут, с формированием слоя меди толщиной 10-20 мкм. Также является предпочтительным, если на втором этапе меднения выбирают величину силы тока меднения по не более 20 А/дм2, температуру раствора 38-42°С, а время меднения в диапазоне 150-170 минут, с формированием слоя меди толщиной 280-310 мкм. At the first stage of copper plating, it is preferable to choose the value of the copper plating current not more than 2 A / dm 2 , the temperature of the copper plating solution 20-22 ° C, and the copper plating time in the range of 20-40 minutes, with the formation of a copper layer 10-20 μm thick. It is also preferable if, in the second stage of copper plating, the magnitude of the copper plating current is selected at no more than 20 A / dm 2 , the solution temperature is 38-42 ° C, and the copper plating time is in the range of 150-170 minutes, with the formation of a copper layer with a thickness of 280-310 μm ...
После завершения процесса меднения можно дополнительно проводить прокаливание полученной заготовки при плавном нагреве, например, от 20 до 250°С, и резком охлаждении, например, до 20°С. After the completion of the copper plating process, it is possible to additionally carry out annealing of the resulting billet with gentle heating, for example, from 20 to 250 ° C, and sharp cooling, for example, to 20 ° C.
Еще одним объектом настоящего изобретения является печатная плата, включающая алюминиевую подложку со слоем медных проводников, сформированных на алюминиевой подложке описанным выше способом или любым из его частных вариантов. Заявленная печатная плата характеризуется высоким пробивным напряжением и наличием слоя медных проводников толщиной по меньшей мере 280-310 мкм, что позволяет на поверхности такой печатной платы осуществлять качественный монтаж электронных элементов, в частности, при использовании такой печатной платы в силовой электронике. Another object of the present invention is a printed circuit board comprising an aluminum substrate with a layer of copper conductors formed on the aluminum substrate by the method described above or any of its particular variants. The claimed printed circuit board is characterized by high breakdown voltage and the presence of a layer of copper conductors with a thickness of at least 280-310 microns, which allows high-quality assembly of electronic elements on the surface of such a printed circuit board, in particular, when using such a printed circuit board in power electronics.
Далее возможные варианты исполнения изобретения более подробно раскрываются со ссылками на чертежи и некоторые примеры. Further possible embodiments of the invention are disclosed in more detail with reference to the drawings and some examples.
Краткое описание чертежей Фиг. 1 - микрофотография поверхности алюминиевой подложки со слоем анодного оксида алюминия с упорядоченной структурой пор. Brief Description of Drawings FIG. 1 is a micrograph of the surface of an aluminum substrate with a layer of anodic alumina with an ordered pore structure.
Фиг. 2 - микрофотография поверхности алюминиевой подложки со слоем анодного оксида алюминия с упорядоченной структурой пор. FIG. 2 is a micrograph of the surface of an aluminum substrate with a layer of anodic alumina with an ordered pore structure.
Фиг. 3 - микрофотография поверхности алюминиевой подложки со слоем анодного оксида алюминия с упорядоченной структурой пор. FIG. 3 is a micrograph of the surface of an aluminum substrate with a layer of anodic alumina with an ordered pore structure.
Фиг. 4 - графическое изображение структуры поры анодного оксида алюминия . FIG. 4 is a graphical representation of the pore structure of anodic alumina.
Фиг. 5 - графическое изображение структуры поры анодного оксида алюминия. FIG. 5 is a graphical representation of the pore structure of anodic alumina.
Фиг. 6 - микрофотография поверхности алюминиевой подложки со слоем анодного оксида алюминия, где поры модифицированы в растворе ортофосфорной кислоты до формы воронки. FIG. 6 is a micrograph of the surface of an aluminum substrate with a layer of anodic aluminum oxide, where the pores are modified in a solution of phosphoric acid to form a funnel.
Фиг. 7 - микрофотография поверхности алюминиевой подложки со слоем анодного оксида алюминия, где поры активированы в растворе азотной кислоты. FIG. 7 is a micrograph of the surface of an aluminum substrate with an anodic alumina layer, where the pores are activated in a nitric acid solution.
Согласно настоящему изобретению, способ формирования медных проводников на поверхности алюминиевой подложки для печатной платы включает несколько этапов. According to the present invention, a method for forming copper conductors on the surface of an aluminum substrate for a printed circuit board includes several steps.
Сначала проводят анодирование поверхности алюминиевой подложки для формирования на ней диэлектрического слоя оксида алюминия. Затем пропитывают поры оксида алюминия диэлектрическим материалом, и затем - наносят слой меди на поверхность диэлектрического слоя путем процесса меднения с получением слоя меди, в частности, толщиной 280-310 мкм. First, the surface of the aluminum substrate is anodized to form a dielectric layer of aluminum oxide on it. Then the pores of aluminum oxide are impregnated with a dielectric material, and then a copper layer is applied to the surface of the dielectric layer by the copper plating process to obtain a copper layer, in particular, with a thickness of 280-310 μm.
Анодирование проводят в растворе при значении напряжения анодирования, выбранном в диапазоне от 100 до 180 В, причем анодирование, в свою очередь, включает два этапа анодирования, между которыми осуществляют нанесение на поверхность полученного оксида алюминия фоторезиста, а также формируют необходимую топологию подложки. Первый этап анодирования проводят при первых параметрах анодирования, включающих по меньшей мере напряжение анодирования, время анодирования и температуру раствора, с получением оксида алюминия . Anodizing is carried out in solution at an anodizing voltage value selected in the range from 100 to 180 V, and anodizing, in turn, includes two stages of anodizing, between which a photoresist is applied to the surface of the obtained aluminum oxide, and the necessary topology of the substrate is also formed. The first anodizing step is carried out with first anodizing parameters including at least anodizing voltage, anodizing time and solution temperature, to obtain alumina.
Второй этап анодирования проводят при вторых параметрах анодирования, включающих по меньшей мере напряжение анодирования, время анодирования и температуру раствора, с получением оксида алюминия требуемой пористости. На втором этапе анодирования температуру ступенчато повышают до более высокого значения, чем значение температуры раствора на первом этапе анодирования. В частности, значения температуры раствора на втором этапе анодирования в 2-10 раз выше значения температуры раствора на первом этапе анодирования. The second stage of anodizing is carried out with second anodizing parameters, including at least anodizing voltage, anodizing time and solution temperature, to obtain alumina of the required porosity. In the second stage of anodizing, the temperature is stepped up to a higher value than the temperature of the solution in the first stage of anodizing. In particular, the temperature of the solution at the second stage of anodizing is 2-10 times higher than the temperature of the solution at the first stage of anodizing.
В результате на поверхности алюминиевой подложки формируется пористый диэлектрический слой оксида алюминия. As a result, a porous dielectric layer of aluminum oxide is formed on the surface of the aluminum substrate.
На этом анодирование заканчивается, и как было сказано выше, далее поры сформированного слоя оксида алюминия пропитывают диэлектрическим материалом. This completes the anodization, and as mentioned above, then the pores of the formed aluminum oxide layer are impregnated with a dielectric material.
После заполнения пор оксида алюминия диэлектрическим материалом переходят к этапу меднения, при котором наносят слой меди на поверхность указанного диэлектрического слоя путем процесса меднения с получением слоя меди толщиной 280-310 мкм. При этом процесс меднения также включает два этапа меднения. After filling the pores of the aluminum oxide with a dielectric material, the stage of copper plating is transferred, in which a copper layer is applied to the surface of the said dielectric layer by the copper plating process to obtain a copper layer with a thickness of 280-310 μm. Moreover, the copper plating process also includes two stages of copper plating.
Первый этап меднения проводят при первых параметрах меднения, включающих по меньшей мере силу тока меднения, время меднения, температуру раствора и состав раствора электролита. The first stage of copper plating is carried out with the first parameters of copper plating, including at least the strength of the copper plating current, the time of copper plating, the temperature of the solution and the composition of the electrolyte solution.
Второй этап меднения проводят при вторых параметрах меднения, включающих по меньшей мере силу тока меднения, время меднения, температуру раствора и состав раствора электролита, причем сила тока меднения на втором этапе меднения по меньшей мере в 10 раз выше силы тока меднения на первом этапе меднения. The second stage of copper plating is carried out with the second parameters of copper plating, including at least the current strength of copper plating, the time of copper plating, the temperature of the solution and the composition of the electrolyte solution, and the current strength of the copper plating in the second stage of copper plating is at least 10 times higher than the current strength of the copper plating in the first stage of copper plating.
В результате на поверхности алюминиевой подложки формируется плотная, высокоадгезивная структура из слоя пористого оксида алюминия, поры которого заполнены диэлектрическим материалом, и достаточно толстого слоя медных проводников . As a result, a dense, highly adhesive structure from a porous oxide layer is formed on the surface of the aluminum substrate. aluminum, the pores of which are filled with a dielectric material, and a sufficiently thick layer of copper conductors.
В предпочтительном варианте исполнения изобретения поверхность алюминиевой подложки предварительно обрабатывают в течение 5-15 минут в растворе щелочи (7-13%-й раствор гидроксида натрия) при температуре 25-35°С, промывают и осветляют в растворе 15-25%-й азотной кислоты в течение 2-5 минут при температуре 25- 35°С . In a preferred embodiment of the invention, the surface of the aluminum substrate is pretreated for 5-15 minutes in an alkali solution (7-13% sodium hydroxide solution) at a temperature of 25-35 ° C, washed and clarified in a solution of 15-25% nitrogen acid for 2-5 minutes at a temperature of 25-35 ° C.
Для предварительной подготовки поверхности алюминиевой подложки также может быть применен метод кислого подтравливания и обезжиривания в смеси азотной кислоты в количестве 350-600 г/л и плавиковой кислоты в количестве 80-120 г/л при температуре 15-30°С в течение 15-45 секунд. Кроме того, как показали исследования, для достижения лучшей адгезии на этапе анодирования предпочтительно, чтобы поверхность подготовленной алюминиевой подложки была достаточно гладкой, в частности, характеризующаяся значением параметра шероховатости Ra не более 0,3 мкм. For preliminary preparation of the surface of an aluminum substrate, the method of acid etching and degreasing in a mixture of nitric acid in an amount of 350-600 g / l and hydrofluoric acid in an amount of 80-120 g / l at a temperature of 15-30 ° C for 15-45 seconds. In addition, as studies have shown, in order to achieve better adhesion at the anodizing stage, it is preferable that the surface of the prepared aluminum substrate be sufficiently smooth, in particular, characterized by a roughness parameter Ra of no more than 0.3 μm.
В качестве электролита для анодирования можно использовать, например, 2-6%-й водный раствор щавелевой кислоты. As an electrolyte for anodizing, you can use, for example, 2-6% aqueous solution of oxalic acid.
Является предпочтительным, если указанный первый этап анодирования проводят при температуре раствора 3-10°С, а указанный второй этап анодирования при температуре 20-28 °С. It is preferable if said first anodizing step is carried out at a solution temperature of 3-10 ° C, and said second anodizing step at a temperature of 20-28 ° C.
Продолжительность первого этапа анодирования может составлять по меньшей мере 10 минут. The duration of the first anodizing step can be at least 10 minutes.
По завершении первого этапа анодирования на поверхности алюминиевой подложки получают вспомогательный слой анодного, возможно (но не обязательно) - пористого, оксида алюминия толщиной примерно 20-30 мкм, который обеспечивает шероховатость поверхности подложки, необходимую для уверенной фиксации на ней слоя сухого пленочного фоторезиста, а также предотвращает разрушение диэлектрического слоя оксида алюминия при последующем кислом травлении . Далее методом фотолитографии формируется топология диэлектрических подложек - оснований для будущих печатных плат. Сначала сухим пленочным фоторезистом закрывают те участки, которые не должны подвергаться последующему анодированию (т.е. второму этапу анодирования) , в том числе участки для дальнейшей механической обработки (фрезеровки) , участки между печатными платами и т.д. А потом собственно формируют топологию диэлектрических подложек Upon completion of the first stage of anodizing, an auxiliary layer of anodic, possibly (but not necessarily) porous, aluminum oxide with a thickness of about 20-30 μm is obtained on the surface of the aluminum substrate, which provides the surface roughness of the substrate necessary for confident fixation of a layer of dry film photoresist on it, and also prevents the destruction of the dielectric layer of aluminum oxide during subsequent acid etching. Then, by photolithography, the topology of dielectric substrates is formed - the bases for future printed circuit boards. First, those areas that should not be subjected to subsequent anodizing (i.e. the second stage of anodizing), including areas for further machining (milling), areas between printed circuit boards, etc. are covered with a dry film photoresist. And then they actually form the topology of dielectric substrates
Заготовки печатных плат со сформированными методом фотолитографии участками под анодирование направляют на второй этап анодирования, в результате которого формируется слой пористого анодного оксида алюминия толщиной примерно 120-160 мкм. Blanks of printed circuit boards with photolithographically formed areas for anodizing are sent to the second stage of anodizing, as a result of which a layer of porous anodic aluminum oxide with a thickness of about 120-160 μm is formed.
Для получения пористого оксида алюминия с низкой пористостью и диаметром пор 100-150 нм по всей длине пор, второй этап анодирования проводят в том же самом электролите и при приложении того же самого напряжения, которые использовались на первом этапе анодирования. В начале процесса температура раствора электролита составляет 20-22°С, а затем температуру ступенчато повышают на 2°С каждые 30-90 минут. Продолжительность второго этапа анодирования составляет 45-250 минут. To obtain a porous alumina with low porosity and a pore diameter of 100-150 nm along the entire length of the pores, the second stage of anodizing is carried out in the same electrolyte and applying the same voltage that was used in the first stage of anodizing. At the beginning of the process, the temperature of the electrolyte solution is 20-22 ° C, and then the temperature is raised stepwise by 2 ° C every 30-90 minutes. The duration of the second stage of anodizing is 45-250 minutes.
Значение напряжения анодирования на первом этапе анодирования и втором этапе анодирования выбирают в диапазоне 100-180 В. The value of the anodizing voltage at the first stage of anodizing and the second stage of anodizing is selected in the range of 100-180 V.
В процессе анодирования (по сути, пористого анодного оксидирования) формируются ячейки, или кластеры, анодирования размером 350-500 нм с определенной геометрией пор. В результате получают слой анодного пористого оксида алюминия с минимальной пористостью порядка 5-10% на границе алюминия и оксида алюминия и более высокой пористостью 15-20% в поверхностном слое и упорядоченной структурой пор с диаметром 100-150 нм, что подразумевает большое количество алюмооксидной фазы и низкое содержание пор с диаметром менее 100 нм (см. фиг. 1, 2, 3) . In the process of anodizing (in fact, porous anodic oxidation), cells, or clusters, anodizing 350-500 nm in size with a certain pore geometry are formed. As a result, a layer of anodic porous alumina is obtained with a minimum porosity of about 5-10% at the interface between aluminum and alumina and a higher porosity of 15-20% in the surface layer and an ordered pore structure with a diameter of 100-150 nm, which implies a large amount of alumina phase and a low content of pores with a diameter of less than 100 nm (see Fig. 1, 2, 3).
Увеличение пористости в верхней части оксида на границе оксид-хром-медь объясняется эффектом растравливания пор при ступенчатом повышении температуры и последующей обработкой в растворах кислот. The increase in porosity in the upper part of the oxide at the oxide-chromium-copper interface is explained by the effect of pore etching at stepwise increase in temperature and subsequent treatment in acid solutions.
Методом электронной растровой микроскопии на металлографических шлифах были определены геометрические параметры поры алюминия, отраженные в таблице 1 и на фиг. 4, 5. By the method of scanning electron microscopy on metallographic thin sections, the geometric parameters of the aluminum pore were determined, which are reflected in Table 1 and in Fig. 4, 5.
Таблица 1 Table 1
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
В таблице 1 введены следующие обозначения: Table 1 introduces the following designations:
Р - пористость, % P - porosity,%
D - размер ячейки анодирования, нм D - anodizing cell size, nm
d - толщина стенки поры, нм d - pore wall thickness, nm
dl - диаметр поры, нм dl - pore diameter, nm
d2 - расстояние между центрами пор. Пористость рассчитывают исходя из геометрических параметров поры по формуле ( 1 ) : р ~ X 100% (1) ' После завершения второго этапа анодирования подложку тщательно промывают в деионизованной воде, снимают слой сухого пленочного фоторезиста. d2 is the distance between the centers of the pores. The porosity is calculated based on the geometric parameters of the pore using the formula (1): p ~ X 100% (1) After the completion of the second stage of anodizing, the substrate is thoroughly washed in deionized water, the layer of dry film photoresist is removed.
Дополнительно, хотя и не обязательно, поры полученного оксида алюминия модифицируют (растравливают) в растворе 3-10%-й ортофосфорной кислоты при температуре 30-50°С в течение 5-15 минут. В результате такой модификации устья пор приобретают воронкоподобную форму (см. фиг. б) . Модификация пор для достижения формы воронки обеспечивает эффективное проникновение диэлектрического материала в узкую часть пор. Additionally, although not necessarily, the pores of the obtained alumina are modified (etched) in a solution of 3-10% phosphoric acid at a temperature of 30-50 ° C for 5-15 minutes. As a result of this modification, the pore openings acquire a funnel-like shape (see Fig. B). Modification of the pores to achieve a funnel shape ensures effective penetration of the dielectric material into a narrow portion of the pores.
После модификации (если ее применяли) подложку тщательно промывают деионизованной водой, просушивают при плавном нагреве до 120°С в течение 1-2 часов, выдерживают при 120°С в течение 30-45 минут и медленно охлаждают при комнатной температуре до 25-40°С. After modification (if used), the substrate is thoroughly washed with deionized water, dried with gentle heating to 120 ° C for 1-2 hours, kept at 120 ° C for 30-45 minutes and slowly cooled at room temperature to 25-40 ° FROM.
Для расширения пор после завершения второго этапа анодирования вместо модификации может быть осуществлен процесс активации пор в 5-10%-м растворе азотной кислоты при температуре 15-25°С в течение 1,5-3, 5 минут. Активация пор позволяет слегка расширить поры оксида алюминия, не нарушая структуру его поверхности, тем самым обеспечивая эффективное заполнение пор диэлектрическим материалом. To expand the pores after the completion of the second stage of anodizing, instead of modification, the process of pore activation can be carried out in a 5-10% solution of nitric acid at a temperature of 15-25 ° C for 1.5-3.5 minutes. The activation of the pores makes it possible to slightly expand the pores of aluminum oxide without disturbing the structure of its surface, thereby ensuring effective filling of the pores with a dielectric material.
Охлажденные заготовки печатных плат помещают в ультразвуковую ванну, заполненную диэлектрическим материалом, пропитывают им пористый анодный оксид алюминия в течение 15-30 минут при комнатной температуре, в предпочтительном варианте - при наложении ультразвука с частотой по меньшей мере 20 кГц. The cooled blanks of printed circuit boards are placed in an ultrasonic bath filled with a dielectric material, porous anodic alumina is impregnated with it for 15-30 minutes at room temperature, in a preferred embodiment, when ultrasound is applied with a frequency of at least 20 kHz.
В качестве диэлектрического материала могут быть использованы кремнийорганические , полиамидные, полиимидные лаки и подобные полимерные соединения, обладающие диэлектрическими свойствами. Равномерное распределение диэлектрического материала в порах анодного оксида алюминия позволяет повысить пробивное напряжение диэлектрического слоя. Поры оксида алюминия заполняют по следующему механизму. As the dielectric material, organosilicon, polyamide, polyimide varnishes and similar polymer compounds having dielectric properties can be used. The uniform distribution of the dielectric material in the pores of the anodic aluminum oxide makes it possible to increase the breakdown voltage of the dielectric layer. The pores of alumina are filled by the following mechanism.
В случае постоянного диаметра пор наблюдают капиллярный эффект заполнения пор, усиленный ультразвуковой кавитацией (закон Коновалова) . In the case of a constant pore diameter, a capillary effect of pore filling is observed, enhanced by ultrasonic cavitation (Konovalov's law).
По завершении пропитки заготовки печатных плат тщательно протирают безворсовой тканью и помещают в печь полимеризации, где проводят высушивание диэлектрического материала при температуре до 250-290°С при плавном нагревании и охлаждении, в результате чего диэлектрический материал переходит в твердое состояние. Upon completion of the impregnation, the blanks of the printed circuit boards are carefully wiped with a lint-free cloth and placed in a polymerization oven, where the dielectric material is dried at temperatures up to 250-290 ° C with gentle heating and cooling, as a result of which the dielectric material becomes solid.
После окончания процесса полимеризации механическим способом счищают остатки лака с лицевой поверхности алюминиевой подложки с диэлектрическим слоем оксида алюминия, обезжиривают поверхность этиловым спиртом и, предпочтительно, подвергают вакуумному напылению подслоя хрома толщиной 0,5-1 мкм и меди 0,8-2 мкм общепринятым способом магнетронного напыления для формирования контактной поверхности под последующее гальваническое нанесение меди. По завершении процесса напыления на поверхности алюминиевой подложки формируют слой меди общепринятым гальваническим способом. After the end of the polymerization process, the remaining varnish is mechanically cleaned from the front surface of the aluminum substrate with a dielectric layer of aluminum oxide, the surface is degreased with ethyl alcohol and, preferably, a sublayer of chromium with a thickness of 0.5-1 microns and copper 0.8-2 microns is vacuum deposited in a conventional way magnetron sputtering to form a contact surface for subsequent galvanic copper deposition. Upon completion of the sputtering process, a copper layer is formed on the surface of the aluminum substrate by a conventional electroplating method.
Для осуществления процесса меднения, в частности гальванического меднения, используют электролит на основе серной кислоты и медного купороса. В составе электролита могут присутствовать различные добавки, обеспечивающие блеск и равномерность покрытия. To carry out the process of copper plating, in particular, galvanic copper plating, an electrolyte based on sulfuric acid and copper sulfate is used. Various additives can be present in the electrolyte to provide gloss and uniformity of the coating.
Меднение осуществляют в два этапа. Copper plating is carried out in two stages.
На первом этапе меднения величина силы тока меднения составляет, предпочтительно, не более 2 А/дм2. Время меднения на первом этапе меднения выбирают в диапазоне 20-40 минут, а температуру раствора - 20-22°С. В результате первого этапа меднения формируется усиленный слой меди (относительно слоя меди, нанесенного вакуумным напылением) с толщиной покрытия 10-20 мкм. In the first stage of copper plating, the magnitude of the copper plating current is preferably not more than 2 A / dm 2 . The time of copper plating at the first stage of copper plating is chosen in the range of 20-40 minutes, and the temperature of the solution is 20-22 ° C. As a result of the first stage of copper plating, a reinforced copper layer is formed (relative to the copper layer applied by vacuum deposition) with a coating thickness of 10-20 microns.
На втором этапе меднения величина силы тока меднения составляет, предпочтительно, не более 20 А/дм2. Время меднения на втором этапе меднения выбирают в диапазоне 150-170 минут, а температуру раствора - 38-42°С. Состав электролита второго этапа меднения указан в таблице 2. В результате второго этапа меднения толщина слоя меди увеличивается до 280-310 мкм. In the second stage of copper plating, the current strength of the copper plating is preferably not more than 20 A / dm 2 . The time of copper plating in the second stage of copper plating is selected in the range of 150-170 minutes, and solution temperature - 38-42 ° С. The composition of the electrolyte of the second stage of copper plating is shown in Table 2. As a result of the second stage of copper plating, the thickness of the copper layer increases to 280-310 microns.
Варианты состава электролита и условия проведения процесса гальванического меднения, согласно изобретению, приведены в таблице 2. Options for the composition of the electrolyte and the conditions for the process of galvanic copper plating, according to the invention, are shown in table 2.
Таблица 2 table 2
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
По завершении процесса меднения на полученном слое меди толщиной 280-310 мкм общепринятым в технологии печатных плат способом кислого травления формируют необходимую топологию печатной платы. Upon completion of the copper plating process, the required topology of the printed circuit board is formed on the obtained copper layer with a thickness of 280-310 microns by the acid etching method generally accepted in the technology of printed circuit boards.
Для повышения адгезии полученных медных проводников к диэлектрическому основанию проводят процесс прокаливания при плавном нагреве от 20 до 250°С и резком охлаждении до 20°С. Предпочтительный режим прокаливания указан в таблице 3. To increase the adhesion of the obtained copper conductors to the dielectric base, the process of calcination is carried out with a smooth heating from 20 to 250 ° C and sharp cooling to 20 ° C. The preferred calcination mode is shown in Table 3.
Таблица 3
Figure imgf000017_0001
Table 3
Figure imgf000017_0001
В процессе прокаливания отжигается полученный слой меди. В результате повышается пластичность меди. Слой диэлектрического материала, которым пропитаны поры анодного оксида алюминия, плавится, и при этом происходит частичное погружение металлического подслоя хрома (если он применялся) в диэлектрический материал и его фиксация в нем, что значительно повышает адгезию медных проводников к диэлектрическому слою и позволяет уверенно использовать получаемые подложки в процессах монтажа различных электронных компонентов. In the process of calcining, the resulting copper layer is annealed. As a result, the ductility of copper increases. The layer of dielectric material, which impregnates the pores of the anodic aluminum oxide, melts, and at the same time, the metal sublayer of chromium (if used) is partially immersed in the dielectric material and fixed in it, which significantly increases the adhesion of copper conductors to the dielectric layer and allows you to confidently use the resulting substrates in the installation of various electronic components.
Двухсторонние и односторонние печатные платы со структурой медных проводников, сформированной согласно заявленному изобретению, имеют пробивное напряжение более 4-6 кВ, что позволяет использовать их в силовой электронике, изготовлении полупроводниковых модулей, в автомобильной электронике и т.д. Double-sided and one-sided printed circuit boards with the structure of copper conductors formed according to the claimed invention have a breakdown voltage of more than 4-6 kV, which makes it possible to use them in power electronics, the manufacture of semiconductor modules, in automotive electronics, etc.
Далее в примерах 1-6 раскрываются возможные конкретные варианты реализации изобретения. Further, examples 1-6 disclose possible specific embodiments of the invention.
Пример 1 Example 1
Поверхность листа алюминия марки А1100Н18 толщиной 3 мм размером 245x330 обрабатывали в течение 5 минут в растворе 10%-го гидроксида натрия при температуре 30 °С. После промывки лист осветляли в растворе 20%-й азотной кислоты в течение 5 минут при температуре 30°С. После обработки поверхности подложку анодировали в электролите на основе 3%-й щавелевой кислоты при напряжении 120 В в течение 10 минут при температуре 5°С. В результате на поверхности подложки сформировался первичный слой оксида алюминия толщиной 20 мкм. The surface of a sheet of aluminum grade A1100H18 with a thickness of 3 mm and a size of 245x330 was treated for 5 minutes in a solution of 10% sodium hydroxide at a temperature of 30 ° C. After washing the sheet clarified in a solution of 20% nitric acid for 5 minutes at a temperature of 30 ° C. After surface treatment, the substrate was anodized in an electrolyte based on 3% oxalic acid at a voltage of 120 V for 10 minutes at a temperature of 5 ° C. As a result, a 20-μm-thick primary aluminum oxide layer was formed on the substrate surface.
После промывки и высушивания на заготовку печатной платы наносили сухой пленочный фоторезист, формировали необходимую топологию диэлектрической подложки методом фотолитографии и проводили второй этап анодирования в электролите на основе 3%-й щавелевой кислоты при напряжении 120 В в течение 180 минут и начальной температуре электролита 20-22 °С. Сначала анодирование проводили в течение 60 минут, после чего температуру электролита ступенчато повышали каждые 60 минут до значения 26-28°С. В результате сформировалась высокоупорядоченная пористая структура анодного оксида алюминия толщиной 120 мкм. After washing and drying, a dry film photoresist was applied to the PCB blank, the required topology of the dielectric substrate was formed by photolithography, and the second stage of anodizing was carried out in an electrolyte based on 3% oxalic acid at a voltage of 120 V for 180 minutes and an initial electrolyte temperature of 20-22 ° C. First, anodizing was carried out for 60 minutes, after which the electrolyte temperature was increased stepwise every 60 minutes to a value of 26-28 ° C. As a result, a highly ordered porous structure of anodic aluminum oxide with a thickness of 120 μm was formed.
Полученный оксид тщательно промывали в деионизованной воде, снимали слой сухого пленочного фоторезиста общепринятыми методами и проводили модификацию оксида пористого анодного оксида алюминия в растворе ортофосфорной кислоты 5% при температуре 40°С в течение 5 минут . The resulting oxide was thoroughly washed in deionized water, the layer of dry film photoresist was removed by conventional methods, and the oxide of porous anodic alumina was modified in a 5% orthophosphoric acid solution at 40 ° C for 5 minutes.
После модификации пористый оксид алюминия тщательно промывали деионизованной водой, просушивали при плавном нагреве до 120°С в течение 1,5 часов, выдерживали при 120°С в течение 30-45 минут и медленно охлаждали при комнатной температуре до 25-40°С. Охлажденные заготовки печатных плат помещали ультразвуковую ванну, заполненную диэлектрическим кремнийорганическим лаком КО-921, пропитывали им пористый анодный оксид алюминия в течение 20 минут при комнатной температуре при частоте ультразвуковых колебаний по меньшей мере 20 кГц. По завершении пропитки заготовки печатных плат доставали из лака, тщательно протирали безворсовой тканью и помещали в печь полимеризации, где проводили высушивание диэлектрического кремнийорганического лака при плавном нагревании до температуры 280°С и последующем плавном охлаждении до комнатной температуры . After modification, the porous alumina was thoroughly washed with deionized water, dried with gentle heating to 120 ° C for 1.5 hours, kept at 120 ° C for 30-45 minutes, and slowly cooled at room temperature to 25-40 ° C. The cooled blanks of printed circuit boards were placed in an ultrasonic bath filled with a dielectric organosilicon varnish KO-921, and porous anodic alumina was impregnated with it for 20 minutes at room temperature at an ultrasonic vibration frequency of at least 20 kHz. Upon completion of the impregnation, the blanks of the printed circuit boards were removed from the varnish, carefully wiped with a lint-free cloth and placed in a polymerization oven, where the dielectric silicone varnish was dried with gentle heating. to a temperature of 280 ° C and subsequent smooth cooling to room temperature.
После окончания процесса полимеризации, механическим способом счищали остатки лака с лицевой поверхности технологической заготовки, обезжиривали ее этиловым спиртом и общепринятым способом магнетронного напыления осуществляли вакуумное напыление подслоя хрома толщиной 0,7 мкм и меди 1 мкм. По завершению процесса напыления гальваническим способом формировали слой меди толщиной, по меньшей мере, 300 мкм в два этапа согласно режимам, указанным в таблице 4. After the end of the polymerization process, the remaining varnish was mechanically removed from the front surface of the technological workpiece, it was degreased with ethyl alcohol, and the conventional method of magnetron sputtering was carried out by vacuum deposition of a chromium sublayer with a thickness of 0.7 μm and copper 1 μm. Upon completion of the spraying process, a copper layer with a thickness of at least 300 μm was formed by electroplating in two stages according to the modes indicated in Table 4.
Таблица 4 Table 4
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000019_0001
После получения слоя меди толщиной 300 мкм на нем общепринятым в технологии печатных плат способом кислого травления формировали необходимую топологию, а затем осуществляли прокаливание по режиму, указанному в таблице 3. After obtaining a copper layer with a thickness of 300 μm, the required topology was formed on it by the acid etching method generally accepted in the technology of printed circuit boards, and then calcination was carried out according to the mode indicated in Table 3.
Пример 2 Поверхность листа алюминия марки А1100Н18 толщиной 3 мм размером 245x330 обрабатывали в смеси растворов азотной кислоты в количестве 600 г/л и плавиковой кислоты в количестве 80 г/л при температуре 30°С в течение 45 секунд. После обработки поверхности подложку анодировали в электролите на основе 3%-й щавелевой кислоты при напряжении 130 В в течение 15 минут при температуре 10 °С. В результате на поверхности подложки формировался первичный слой оксида алюминия толщиной 25 мкм. Example 2 The surface of a sheet of aluminum grade A1100H18 with a thickness of 3 mm and a size of 245x330 was treated in a mixture of solutions of nitric acid in an amount of 600 g / l and hydrofluoric acid in an amount of 80 g / l at a temperature of 30 ° C for 45 seconds. After surface treatment, the substrate was anodized in an electrolyte based on 3% oxalic acid at a voltage of 130 V for 15 minutes at a temperature of 10 ° C. As a result, a primary layer of aluminum oxide with a thickness of 25 μm was formed on the substrate surface.
После промывки и высушивания на заготовку печатной платы наносили сухой пленочный фоторезист, формировали необходимую топологию диэлектрической подложки методом фотолитографии и проводили второй этап анодирования в электролите на основе 2%-й щавелевой кислоты при напряжении 130 В в течение 200 минут и начальной температуре электролита 20-22 °С. Сначала анодирование проводили в течение 60 минут, после чего температуру электролита ступенчато повышали каждые 60 минут до значения 26-28°С. В результате сформировалась высокоупорядоченная пористая структура анодного оксида алюминия толщиной 130 мкм. Полученный оксид тщательно промывали в деионизованной воде, снимали слой сухого пленочного фоторезиста общепринятыми методами и проводили активацию пор оксида пористого анодного оксида алюминия в 5%-м растворе азотной кислоты при температуре 25°С в течение 3,5 минут. После активации поверхность пористого оксида алюминия тщательно промывали деионизованной водой, просушивали при плавном нагреве до 120°С в течение 1,5 часов, выдерживали при 120°С в течение 30-45 минут и медленно охлаждали при комнатной температуре до 25-40°С. Охлажденные заготовки печатных плат помещали ультразвуковую ванну, заполненную диэлектрическим кремнийорганическим лаком КО-921, пропитывали им пористый анодный оксид алюминия в течение 20 минут при комнатной температуре при частоте ультразвуковых колебаний по меньшей мере 20 кГц. По завершении пропитки заготовки печатных плат доставали из лака, тщательно протирали безворсовой тканью и помещали в печь полимеризации, где проводили высушивание диэлектрического кремнийорганического лака при температуре при плавном нагревании до 280°С и последующем плавном охлаждении до комнатной температуры. After washing and drying, a dry film photoresist was applied to the PCB blank, the required topology of the dielectric substrate was formed by photolithography, and the second stage of anodizing was performed in an electrolyte based on 2% oxalic acid at a voltage of 130 V for 200 minutes and an initial electrolyte temperature of 20-22 ° C. First, anodizing was carried out for 60 minutes, after which the electrolyte temperature was increased stepwise every 60 minutes to a value of 26-28 ° C. As a result, a highly ordered porous structure of anodic aluminum oxide with a thickness of 130 μm was formed. The resulting oxide was thoroughly washed in deionized water, the dry film photoresist layer was removed by conventional methods, and the pores of the porous anodic alumina oxide were activated in 5% nitric acid solution at 25 ° C for 3.5 minutes. After activation, the surface of porous alumina was thoroughly washed with deionized water, dried with gentle heating to 120 ° C for 1.5 hours, kept at 120 ° C for 30-45 minutes, and slowly cooled at room temperature to 25-40 ° C. The cooled blanks of printed circuit boards were placed in an ultrasonic bath filled with a dielectric organosilicon varnish KO-921, and porous anodic alumina was impregnated with it for 20 minutes at room temperature at an ultrasonic vibration frequency of at least 20 kHz. Upon completion of the impregnation, the PCB blanks were removed from the varnish, carefully wiped with a lint-free cloth and placed in a polymerization oven, where they were dried. dielectric organosilicon varnish at a temperature with gentle heating up to 280 ° C and subsequent smooth cooling to room temperature.
После окончания процесса полимеризации механическим способом счищали остатки лака с лицевой поверхности технологической заготовки, обезжиривали ее этиловым спиртом и общепринятым способом магнетронного напыления осуществляли вакуумное напыление подслоя хрома толщиной 0,7 мкм и меди 1 мкм. По завершению процесса напыления гальваническим способом формировали слой меди толщиной 280 мкм в два этапа согласно режимам, указанным в таблице 5. After the end of the polymerization process, the remaining varnish was mechanically removed from the front surface of the technological workpiece, it was degreased with ethyl alcohol, and the conventional method of magnetron sputtering was carried out by vacuum deposition of a chromium sublayer with a thickness of 0.7 μm and copper 1 μm. Upon completion of the spraying process, a copper layer with a thickness of 280 μm was formed by electroplating in two stages according to the modes indicated in Table 5.
Таблица 5 Table 5
Figure imgf000021_0001
Figure imgf000021_0001
После получения слоя меди толщиной 280 мкм на нем общепринятым в технологии печатных плат способом кислого травления формировали необходимую топологию, а затем осуществляли прокаливание по режиму, указанному в таблице 3. After obtaining a copper layer with a thickness of 280 μm, the required topology was formed on it using the acid etching method generally accepted in the technology of printed circuit boards, and then calcination was carried out according to the mode specified in Table 3.
Пример 3 Поверхность листа алюминия марки А1100Н18 толщиной 3 мм размером 245x330 обрабатывали в течение 5 минут в растворе 12%-го гидроксида натрия при температуре 28 °С, после промывки лист осветляли в растворе 25%-й азотной кислоты в течение 3 минут при температуре 25°С. После обработки поверхности подложку анодировали в электролите на основе 2%-й щавелевой кислоты при напряжении 150 В в течение 12 минут при температуре 7°С. В результате на поверхности подложки формировался первичный слой оксида алюминия толщиной 28 мкм. Example 3 The surface of a sheet of aluminum grade A1100N18 with a thickness of 3 mm, size 245x330 was treated for 5 minutes in a solution of 12% sodium hydroxide at a temperature of 28 ° C, after washing the sheet was clarified in a solution of 25% nitric acid for 3 minutes at a temperature of 25 ° C ... After surface treatment, the substrate was anodized in an electrolyte based on 2% oxalic acid at a voltage of 150 V for 12 minutes at a temperature of 7 ° C. As a result, a 28-μm-thick primary aluminum oxide layer was formed on the substrate surface.
После промывки и высушивания на заготовку печатной платы наносили сухой пленочный фоторезист, формировали необходимую топологию диэлектрической подложки методом фотолитографии и проводили второй этап анодирования в электролите на основе 2%-й щавелевой кислоты при напряжении 150 В в течение 220 минут и начальной температуре электролита 20-22 °С. Сначала анодирование проводили в течение 60 минут, после чего температуру электролита ступенчато повышали каждые 60 минут до значения 2б-28°С. В результате сформировалась высокоупорядоченная пористая структура анодного оксида алюминия толщиной 145 мкм. Полученный оксид тщательно промывали в деионизованной воде, снимали слой сухого пленочного фоторезиста общепринятыми методами и проводили активацию пор оксида пористого анодного оксида алюминия в 10%-м растворе азотной кислоты при температуре 25°С в течение 2 минут. После активации поверхность пористого оксида алюминия тщательно промывали деионизованной водой, просушивали при плавном нагреве до 120°С в течение 1,5 часов, выдерживали при 120°С в течение 30-45 минут и медленно охлаждали при комнатной температуре до 25- 0°С. Охлажденные заготовки печатных плат помещали ультразвуковую ванну, заполненную диэлектрическим кремнийорганическим лаком КО-921, пропитывали им пористый анодный оксид алюминия в течение 20 минут при комнатной температуре при частоте ультразвуковых колебаний по меньшей мере 20 кГц. По завершении пропитки заготовки печатных плат доставали из лака, тщательно протирали безворсовой тканью и помещали в печь полимеризации, где проводили высушивание диэлектрического кремнийорганического лака при температуре при плавном нагревании до 280°С и последующем плавном охлаждении до комнатной температуры. After washing and drying, a dry film photoresist was applied to the PCB blank, the required topology of the dielectric substrate was formed by photolithography, and the second stage of anodizing was carried out in an electrolyte based on 2% oxalic acid at a voltage of 150 V for 220 minutes and an initial electrolyte temperature of 20-22 ° C. First, anodizing was carried out for 60 minutes, after which the temperature of the electrolyte was increased stepwise every 60 minutes to a value of 2b-28 ° C. As a result, a highly ordered porous structure of anodic aluminum oxide with a thickness of 145 μm was formed. The resulting oxide was thoroughly washed in deionized water, the dry film photoresist layer was removed by conventional methods, and the pores of the porous anodic alumina oxide were activated in a 10% nitric acid solution at 25 ° C for 2 minutes. After activation, the surface of porous alumina was thoroughly washed with deionized water, dried with gentle heating to 120 ° C for 1.5 hours, kept at 120 ° C for 30-45 minutes and slowly cooled at room temperature to 25-0 ° C. The cooled blanks of printed circuit boards were placed in an ultrasonic bath filled with a dielectric organosilicon varnish KO-921, and porous anodic alumina was impregnated with it for 20 minutes at room temperature at an ultrasonic vibration frequency of at least 20 kHz. Upon completion of the impregnation, the blanks of the printed circuit boards were removed from the varnish, carefully wiped with a lint-free cloth and was placed in a polymerization oven, where the dielectric organosilicon varnish was dried at a temperature with gentle heating to 280 ° C and subsequent gradual cooling to room temperature.
После окончания процесса полимеризации механическим способом счищали остатки лака с лицевой поверхности технологической заготовки, обезжиривали ее этиловым спиртом и общепринятым способом магнетронного напыления осуществляли вакуумное напыление подслоя хрома толщиной 0,7 мкм и меди 1 мкм. По завершению процесса напыления гальваническим способом формировали слой меди толщиной 310 мкм в два этапа согласно режимам, указанным в таблице 6. After the end of the polymerization process, the remaining varnish was mechanically removed from the front surface of the technological workpiece, it was degreased with ethyl alcohol, and the conventional method of magnetron sputtering was carried out by vacuum deposition of a chromium sublayer with a thickness of 0.7 μm and copper 1 μm. Upon completion of the spraying process, a copper layer with a thickness of 310 μm was formed by electroplating in two stages according to the modes indicated in Table 6.
Таблица b Table b
Figure imgf000023_0001
Figure imgf000023_0001
После получения слоя меди толщиной 300 мкм на нем общепринятым в технологии печатных плат способом кислого травления формировали необходимую топологию, а затем осуществляли прокаливание по режиму, указанному в таблице 3. Пример 4 After obtaining a copper layer with a thickness of 300 μm, the required topology was formed on it by the acid etching method generally accepted in the technology of printed circuit boards, and then calcination was carried out according to the mode indicated in Table 3. Example 4
Поверхность листа алюминия марки А1100Н18 толщиной 3 мм размером 245x330 обрабатывали в течение 15 секунд в смеси растворов азотной кислоты в количестве 350 г/л и плавиковой кислоты в количестве 120 г/л при температуре 15°С в течение 15 секунд. После обработки поверхности подложку анодировали в электролите на основе 2,2%-й щавелевой кислоты при напряжении 180 В в течение 10 минут при температуре 3°С. В результате на поверхности подложки формировался первичный слой оксида алюминия толщиной 30 мкм. The surface of a sheet of aluminum grade A1100H18 with a thickness of 3 mm and a size of 245x330 was treated for 15 seconds in a mixture of solutions of nitric acid in an amount of 350 g / l and hydrofluoric acid in an amount of 120 g / l at a temperature of 15 ° C for 15 seconds. After surface treatment, the substrate was anodized in an electrolyte based on 2.2% oxalic acid at a voltage of 180 V for 10 minutes at a temperature of 3 ° C. As a result, a primary aluminum oxide layer 30 μm thick was formed on the substrate surface.
После промывки и высушивания на заготовку печатной платы наносили сухой пленочный фоторезист, формировали необходимую топологию диэлектрической подложки методом фотолитографии и проводили второй этап анодирования в электролите на основе 2,2%-й щавелевой кислоты при напряжении 180 В в течение 170 минут и начальной температуре электролита 20-22°С. Сначала анодирование проводили в течение 60 минут, после чего температуру электролита ступенчато повышали каждые 60 минут до значения 26-28°С, в результате чего сформировалась высокоупорядоченная пористая структура анодного оксида алюминия толщиной 160 мкм. Полученный оксид тщательно промывали в деионизованной воде, снимали слой сухого пленочного фоторезиста общепринятыми методами и проводили модификацию оксида пористого анодного оксида алюминия в растворе ортофосфорной кислоты 5% при температуре 0°С в течение 5 минут. После модификации пористый оксид алюминия тщательно промывали деионизованной водой, просушивали при плавном нагреве до 120°С в течение 1,5 часов, выдерживали при 120°С в течение 30-45 минут и медленно охлаждали при комнатной температуре до 25-40°С. Охлажденные заготовки печатных плат помещали в ультразвуковую ванну, заполненную диэлектрическим кремнийорганическим лаком КО- 921, пропитывали им пористый анодный оксид алюминия в течение 20 минут при комнатной температуре при частоте ультразвуковых колебаний по меньшей мере 20 кГц. По завершении пропитки заготовки печатных плат доставали из лака, тщательно протирали безворсовой тканью и помещали в печь полимеризации, где проводили высушивание диэлектрического кремнийорганического лака при температуре при плавном нагревании до 280°С и последующем плавном охлаждении до комнатной температуры. After washing and drying, a dry film photoresist was applied to the PCB blank, the required topology of the dielectric substrate was formed by photolithography, and the second stage of anodizing was carried out in an electrolyte based on 2.2% oxalic acid at a voltage of 180 V for 170 minutes and an initial electrolyte temperature of 20 -22 ° C. First, anodizing was carried out for 60 minutes, after which the electrolyte temperature was increased stepwise every 60 minutes to a value of 26-28 ° C, as a result of which a highly ordered porous structure of anodic alumina with a thickness of 160 μm was formed. The resulting oxide was thoroughly washed in deionized water, the layer of dry film photoresist was removed by conventional methods, and the oxide of porous anodic alumina was modified in a 5% phosphoric acid solution at 0 ° C for 5 minutes. After modification, the porous alumina was thoroughly washed with deionized water, dried with gentle heating to 120 ° C for 1.5 hours, kept at 120 ° C for 30-45 minutes, and slowly cooled at room temperature to 25-40 ° C. The cooled blanks of printed circuit boards were placed in an ultrasonic bath filled with a dielectric organosilicon varnish KO-921, and porous anodic aluminum oxide was impregnated with it for 20 minutes at room temperature at an ultrasonic vibration frequency of at least 20 kHz. Upon completion of the impregnation, the blanks of the printed circuit boards were removed from the varnish, thoroughly wiped with a lint-free with a cloth and placed in a polymerization oven, where the dielectric organosilicon varnish was dried at a temperature with gentle heating to 280 ° C and subsequent gradual cooling to room temperature.
После окончания процесса полимеризации механическим способом счищали остатки лака с лицевой поверхности технологической заготовки, обезжиривали ее этиловым спиртом и общепринятым способом магнетронного напыления осуществляли вакуумное напыление подслоя хрома толщиной 0,7 мкм и меди 1 мкм. По завершению процесса напыления гальваническим способом формировали слой меди толщиной 300 мкм в два этапа согласно режимам, указанным в таблице 7. After the end of the polymerization process, the remaining varnish was mechanically removed from the front surface of the technological workpiece, it was degreased with ethyl alcohol, and the conventional method of magnetron sputtering was carried out by vacuum deposition of a chromium sublayer with a thickness of 0.7 μm and copper 1 μm. Upon completion of the spraying process, a 300 μm thick copper layer was formed by electroplating in two stages according to the modes indicated in Table 7.
Таблица 7 Table 7
Figure imgf000025_0001
Figure imgf000025_0001
После получения слоя меди толщиной 300 мкм на нем общепринятым в технологии печатных плат способом кислого травления формировали необходимую топологию, а затем осуществляли прокаливание по режиму, указанному в таблице 3. Полученные подложки могут быть использованы для производства печатных плат, пробивное напряжение которых более 6 кВ постоянного тока при площади медных проводников 0,15-0,2 дм2. After obtaining a copper layer with a thickness of 300 μm, the required topology was formed on it by the acid etching method generally accepted in the technology of printed circuit boards, and then calcination was carried out according to the mode indicated in Table 3. The obtained substrates can be used for the production of printed circuit boards, the breakdown voltage of which is more than 6 kV DC with an area of copper conductors of 0.15-0.2 dm 2 .
Пример 5 Example 5
Для определения пробивного напряжения использовали методику согласно техническим условиям МСФА.758700.001 ТУ. To determine the breakdown voltage, a technique was used according to the technical specifications MSFA.758700.001 TU.
Для испытания были взяты образцы электронных плат, в которых в качестве подложки использованы стандартные подложки с толщиной диэлектрического слоя оксида алюминия 70 и 90 мкм - соответственно образцы 1 и 2, и подложки, полученные согласно описанным выше примерам 1-4 (соответственно образцы З-б) с контактной площадкой меди площадью от 0,15 дм2. До начала испытаний образцы печатных плат просушивали в сушильном шкафу при температуре 80-100°С в течение по меньшей мере 20 минут и выдерживали при температуре от 15 до 20°С в испытательном помещении в течение не менее 4 ч. For testing, samples of electronic boards were taken, in which standard substrates with a dielectric layer of aluminum oxide 70 and 90 μm thick were used as a substrate - samples 1 and 2, respectively, and substrates obtained according to the above examples 1-4 (respectively, samples 3-b ) with a copper contact area of 0.15 dm 2 . Before testing, samples of printed circuit boards were dried in an oven at a temperature of 80-100 ° C for at least 20 minutes and kept at a temperature of 15 to 20 ° C in a test room for at least 4 hours.
Испытания проводили с помощью пробойной установки, обеспечивающей подачу постоянного тока с напряжением от 100 В до 6000 В постоянного тока. При измерениях фиксировали величину напряжения, при которой происходил пробой (резкое повышение тока утечки более 1 мА) . Один щуп источника напряжения был соединен с основанием образца, другой - поочередно со всеми электрическими цепями печатной платы (образца) . Скорость набора напряжения составляла 10-15 секунд, время выдержки при испытательном напряжении - 2 секунды. Напряжение прикладывали между выбранными точками образца . The tests were carried out using a breakdown device providing a direct current supply with a voltage from 100 V to 6000 V DC. During the measurements, the voltage value at which the breakdown occurred (a sharp increase in the leakage current more than 1 mA) was recorded. One probe of the voltage source was connected to the base of the sample, the other was connected in turn with all the electrical circuits of the printed circuit board (sample). The voltage rise rate was 10-15 seconds, the holding time at the test voltage was 2 seconds. Voltage was applied between selected points of the sample.
Пробой изоляционного (диэлектрического) слоя определяли по резкому увеличению тока утечки более 1 мА, что свидетельствовало о потере сопротивления изоляции. The breakdown of the insulating (dielectric) layer was determined by a sharp increase in the leakage current of more than 1 mA, which indicated a loss of insulation resistance.
Результаты испытания представлены в таблице 8. The test results are shown in Table 8.
Таблица 8
Figure imgf000027_0001
Table 8
Figure imgf000027_0001
Из данных, приведенных в таблице 8, следует, что наибольшая величина пробивного напряжения (4-6 кВ) соответствует образцам 3, 4, 5, 6. Следовательно, образцы, полученные согласно примерам 1-4 при использовании их в качестве подложки для печатных плат обладают хорошими диэлектрическими свойствами и выдерживают напряжение до 6 кВ . From the data given in table 8, it follows that the highest breakdown voltage (4-6 kV) corresponds to samples 3, 4, 5, 6. Therefore, the samples obtained according to examples 1-4 when used as a substrate for printed circuit boards have good dielectric properties and can withstand voltages up to 6 kV.
Пример 6 Example 6
Для определения прочности адгезии слоя медных проводников использовали методику, указанную в п. 7.2.25 МСФА.758700.001 ТУ. To determine the adhesion strength of a layer of copper conductors, the technique specified in clause 7.2.25 of MSFA.758700.001 TU was used.
За прочность на отрыв контактных площадок принимают силу, перпендикулярную поверхности печатной платы, необходимую для отделения контактной площадки от материала основания. Испытания проводили на круглых контактных площадках, отделенных от примыкающих проводников. Для отрыва использовали тестер для определения адгезии (адгезиметр) . Усилие прикладывали до полного отрыва контактной площадки. За прочность на отрыв контактных площадок принимали минимальный результат, полученный при отрыве десяти испытанных контактных площадок от материала основания. The pull-off strength of the contact pads is taken as the force perpendicular to the surface of the printed circuit board necessary to separate the contact pad from the base material. The tests were carried out on circular contact pads separated from the adjacent conductors. An adhesion tester (adhesion meter) was used to pull off. The force was applied until the contact pad was completely detached. The tensile strength of the contact pads was taken as the minimum result obtained when ten tested contact pads were detached from the base material.
Испытания проводили на образцах, полученных в примерах 1-4 The tests were carried out on the samples obtained in examples 1-4
(соответственно образцы 3-6) .
Figure imgf000028_0001
(respectively samples 3-6).
Figure imgf000028_0001
Как показали испытания на адгезию, образцы, полученные в соответствии с настоящим изобретением, показывают высокие значения прочности адгезии. Таким образом, при использовании заявленного способа формирования медных проводников на поверхности диэлектрического слоя оксида алюминия обеспечивается высокая адгезия достаточно толстого слоя меди к пористой поверхности диэлектрического оксида алюминия, где поры заполнены диэлектрическим материалом. В совокупности это позволяет получать печатные платы с высоким пробивным напряжением и слоем медных проводников толщиной по меньшей мере 280-310 мкм. На поверхности такой печатной платы возможно осуществлять качественный монтаж электронных элементов, а также использовать такую печатную плату в силовой электронике. As shown by adhesion tests, the samples obtained in accordance with the present invention show high values of the adhesion strength. Thus, when using the claimed method of forming copper conductors on the surface of the dielectric layer of alumina, high adhesion of a sufficiently thick copper layer to the porous surface of dielectric alumina, where the pores are filled with a dielectric material, is ensured. Taken together, this makes it possible to produce printed circuit boards with a high breakdown voltage and a layer of copper conductors with a thickness of at least 280-310 μm. On the surface of such a printed circuit board, it is possible to carry out high-quality assembly of electronic elements, as well as to use such a printed circuit board in power electronics.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Способ формирования медных проводников на поверхности алюминиевой подложки для печатной платы, в котором: 1. A method of forming copper conductors on the surface of an aluminum substrate for a printed circuit board, in which:
проводят анодирование поверхности алюминиевой подложки для формирования на ней диэлектрического слоя оксида алюминия, при этом анодирование проводят в растворе при значении напряжения анодирования, выбранном в диапазоне от 100 до 180 В, и анодирование включает : anodizing the surface of the aluminum substrate is carried out to form a dielectric layer of aluminum oxide on it, while anodizing is carried out in solution at an anodizing voltage value selected in the range from 100 to 180 V, and anodizing includes:
первый этап анодирования при первых параметрах анодирования, включающих по меньшей мере напряжение анодирования, время анодирования и температуру раствора, с получением оксида алюминия, a first anodizing step with first anodizing parameters including at least anodizing voltage, anodizing time and solution temperature, to produce alumina,
нанесение на поверхность полученного оксида алюминия фоторезиста , applying a photoresist to the surface of the obtained aluminum oxide,
формирование необходимой топологии подложки, и formation of the necessary topology of the substrate, and
второй этап анодирования при вторых параметрах анодирования, включающих по меньшей мере напряжение анодирования, время анодирования и температуру раствора, с получением оксида алюминия требуемой пористости, причем на втором этапе анодирования температуру ступенчато повышают до значения в 2- 10 раз выше значения температуры раствора на первом этапе анодирования, the second stage of anodizing with second anodizing parameters, including at least anodizing voltage, anodizing time and solution temperature, to obtain aluminum oxide of the required porosity, and at the second stage of anodizing the temperature is stepwise increased to a value 2-10 times higher than the solution temperature at the first stage anodizing,
пропитывают поры оксида алюминия диэлектрическим материалом, и наносят слой меди на поверхность диэлектрического слоя путем процесса меднения с получением слоя меди толщиной 280-310 мкм, причем процесс меднения включает: impregnate the pores of aluminum oxide with a dielectric material, and apply a copper layer on the surface of the dielectric layer by the copper plating process to obtain a copper layer with a thickness of 280-310 microns, and the copper plating process includes:
первый этап меднения при первых параметрах меднения, включающих по меньшей мере силу тока меднения, время меднения, температуру раствора и состав раствора электролита, и второй этап меднения при вторых параметрах меднения, включающих по меньшей мере силу тока меднения, время меднения, температуру раствора и состав раствора электролита, при этом сила тока меднения на втором этапе меднения по меньшей мере в 10 раз выше силы тока меднения на первом этапе меднения.the first stage of copper plating with the first parameters of copper plating, including at least the current strength of the copper plating, the time of copper plating, the temperature of the solution and the composition of the electrolyte solution, and the second stage of copper plating with the second parameters of copper plating, including at least the strength of the current of copper plating, the time of copper plating, the temperature of the solution and the composition electrolyte solution, while the copper plating current in the second copper plating stage is at least 10 times higher than the copper plating current in the first copper plating stage.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала алюминиевой подложки используют алюминиевый сплав марки А1100Н18. 2. The method according to claim 1, characterized in that aluminum alloy of grade A1100H18 is used as the material of the aluminum substrate.
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что обеспечивают шероховатость поверхности Ra алюминиевой подложки не более 0,3 мкм. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the surface roughness Ra of the aluminum substrate is not more than 0.3 μm.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхность алюминиевой подложки предварительно обрабатывают в растворе щелочи с последующим осветлением в растворе азотной кислоты, или предварительно обрабатывают смесью растворов азотной и плавиковой кислот . 4. A method according to claim 1, characterized in that the surface of the aluminum substrate is pretreated in an alkali solution followed by clarification in a nitric acid solution, or pretreated with a mixture of solutions of nitric and hydrofluoric acids.
5. Способ по п . 1, отличающийся тем, что анодирование проводят в 2-6%-ом растворе щавелевой кислоты, причем первый этап анодирования проводят при температуре раствора 3-10°С, а второй этап анодирования при температуре 20-28 °С. 5. The method according to claim 1, characterized in that the anodizing is carried out in a 2-6% solution of oxalic acid, the first stage of anodizing being carried out at a solution temperature of 3-10 ° C, and the second stage of anodizing at a temperature of 20-28 ° C.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что время анодирования на первом этапе анодирования составляет по меньшей мере 10 минут. 6. The method according to claim 1, characterized in that the anodizing time in the first anodizing step is at least 10 minutes.
7. Способ по п . 1, отличающийся тем, что время анодирования на втором этапе анодирования составляет по меньшей мере 45 минут. 7. The method according to claim 1, characterized in that the anodizing time in the second anodizing step is at least 45 minutes.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед нанесением фоторезиста формируют вспомогательный слой анодного пористого оксида алюминия толщиной 20-30 мкм. 8. The method according to claim 1, characterized in that before applying the photoresist, an auxiliary layer of anodic porous aluminum oxide with a thickness of 20-30 μm is formed.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после завершения второго этапа анодирования поры полученного оксида алюминия модифицируют (растравливают) в растворе ортофосфорной кислоты при температуре 30-50°С в течение 5-15 минут. 9. The method according to claim 1, characterized in that after the completion of the second stage of anodizing the pores of the obtained alumina are modified (etched) in a solution of phosphoric acid at a temperature of 30-50 ° C for 5-15 minutes.
10. Способ по п . 1, отличающийся тем, что после второго этапа анодирования поры полученного оксида алюминия активируют в растворе азотной кислоты при температуре 15-25°С в течение 1,5- 3 , 5 минут . 10. The method according to claim 1, characterized in that after the second stage of anodizing, the pores of the obtained alumina are activated in a nitric acid solution at a temperature of 15-25 ° C for 1.5-3.5 minutes.
11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пропитку пор диэлектрическим материалом осуществляют с использованием ультразвука с частотой по меньшей мере 20 кГц. 11. A method according to claim 1, characterized in that the pores are impregnated with a dielectric material using ultrasound with a frequency of at least 20 kHz.
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что после пропитки с использованием ультразвука проводят высушивание диэлектрического материала при плавном нагреве до 250-290°С и плавном охлаждении. 12. The method according to claim 11, characterized in that after impregnation with the use of ultrasound, the dielectric material is dried with gentle heating to 250-290 ° C and gradual cooling.
13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на первом этапе меднения выбирают величину силы тока меднения не более 2 А/дм2, температуру раствора меднения 20-22 °С, а время меднения в диапазоне 20-40 минут, с формированием слоя меди толщиной 10-20 мкм. 13. The method according to claim 1, characterized in that at the first stage of copper plating, the value of the copper plating current is not more than 2 A / dm 2 , the temperature of the copper plating solution is 20-22 ° C, and the copper plating time is in the range of 20-40 minutes, with the formation copper layer 10-20 microns thick.
14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на втором этапе меднения выбирают величину силы тока меднения по не более 20 А/дм2, температуру раствора 38-42 °С, а время меднения в диапазоне 150- 170 минут, с формированием слоя меди толщиной 280-310 мкм. 14. The method according to claim 1, characterized in that at the second stage of copper plating, the value of the copper plating current is selected at no more than 20 A / dm 2 , the solution temperature is 38-42 ° C, and the copper plating time is in the range of 150-170 minutes, with the formation copper layer with a thickness of 280-310 microns.
15. Способ по п . 1, отличающийся тем, что после завершения процесса меднения проводят прокаливание полученной заготовки при плавном нагреве от 20 до 250°С и резком охлаждении до 20°С. 15. The method according to claim 1, characterized in that after the completion of the copper plating process, the resulting billet is calcined with gradual heating from 20 to 250 ° C and sharp cooling to 20 ° C.
16. Печатная плата, включающая алюминиевую подложку со слоем медных проводников, сформированных на алюминиевой подложке способом по любому из пп. 1-15. 16. A printed circuit board comprising an aluminum substrate with a layer of copper conductors formed on an aluminum substrate by the method according to any one of claims. 1-15.
PCT/RU2019/000215 2019-04-05 2019-04-05 Method for forming copper conductors for printed circuit board WO2020204745A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2019/000215 WO2020204745A1 (en) 2019-04-05 2019-04-05 Method for forming copper conductors for printed circuit board

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2019/000215 WO2020204745A1 (en) 2019-04-05 2019-04-05 Method for forming copper conductors for printed circuit board

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020204745A1 true WO2020204745A1 (en) 2020-10-08

Family

ID=72666840

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2019/000215 WO2020204745A1 (en) 2019-04-05 2019-04-05 Method for forming copper conductors for printed circuit board

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2020204745A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115588748A (en) * 2022-12-07 2023-01-10 四川启睿克科技有限公司 Integrated device of battery and circuit board and preparation method thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003008228A (en) * 2001-06-22 2003-01-10 Ibiden Co Ltd Multilayer printed wiring board and method of manufacturing the same
BY6371C1 (en) * 1998-12-29 2004-09-30
RU2602084C2 (en) * 2015-04-03 2016-11-10 Акционерное общество "Государственный Рязанский приборный завод" Method for manufacturing a multilayer printed circuit board
RU2655354C1 (en) * 2017-04-03 2018-05-25 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Method for obtaining luminophor based on spongy nanoporous aluminum oxide

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BY6371C1 (en) * 1998-12-29 2004-09-30
JP2003008228A (en) * 2001-06-22 2003-01-10 Ibiden Co Ltd Multilayer printed wiring board and method of manufacturing the same
RU2602084C2 (en) * 2015-04-03 2016-11-10 Акционерное общество "Государственный Рязанский приборный завод" Method for manufacturing a multilayer printed circuit board
RU2655354C1 (en) * 2017-04-03 2018-05-25 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Method for obtaining luminophor based on spongy nanoporous aluminum oxide

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115588748A (en) * 2022-12-07 2023-01-10 四川启睿克科技有限公司 Integrated device of battery and circuit board and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4383863B2 (en) Copper foil with low profile bond enhancement
JP2009526130A (en) Anodized aluminum, dielectrics and methods
KR920000534B1 (en) Aluminum plating substance for anodizing and method of preparing the same
GB1570683A (en) Method of coating by electrodesosition
GB2066295A (en) Electrolytic production of strippable copper layer on aluminium
TW200923129A (en) Method of coating metallic material
WO2020204745A1 (en) Method for forming copper conductors for printed circuit board
JPH0318088A (en) Insulating metallic substrate and manufacture thereof
CN115110128B (en) Method for preparing high-stability nickel myristate super-hydrophobic coating on metal surface
GB2206451A (en) Substrates for circuit panels
US5230788A (en) Insulated metal substrates and process for the production thereof
GB2123616A (en) Circuit boards and method of manufacture thereof
KR100777176B1 (en) Method for Treating the Surface of Magnesium and Its Alloys
RU2694430C1 (en) Method of producing dielectric layer on aluminium substrate surface
JP2630858B2 (en) Manufacturing method of printed wiring board
JP2009123980A (en) Aluminum-based heat dissipation substrate for electric circuit and method for manufacturing the same
JP2008153556A (en) Manufacturing method of heatsink substrate for electric circuit
CN102534627A (en) SiC/Al composite material surface blackening method
JP2008147208A (en) Manufacturing method of heat dissipation substrate for electric circuit
EP0239839B1 (en) Electrophoretic insulation of metal circuit board core
EP0120119A2 (en) Sealing thick anodic coatings on aluminium substrates
US20230105202A1 (en) Insulating film-attached punched workpiece and method for producing same
RU2817277C1 (en) Method of applying electroconductive protective coating on aluminium alloys
TWI424542B (en) Passivated metal core substrate and process for preparing the same
EP0417880A1 (en) Process for treating surface of copper foil

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19923640

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 17/03/2022)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19923640

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1