ЭЛЕКТРОД СРАВНЕНИЯ
COMPARISON ELECTRODE

Изобретение относится к технике измерения площади металлизации печатных плат в процессе гальваноосаждения и может быть использовано для контроля площади поверхности мелкоструктурных изделий.
Известен электрод сравнения (патент РФ № 2118793, опубл. 1998.09.10, G01B 7/32) для использования при измерении площади металлизации изделия в процессе гальваноосаждения, выполненный в виде проводящей пластины, предназначенной для погружения вместе с металлизируемым изделием в гальваническую ванну, на поверхность пластины предварительно нанесено непроводящее покрытие, образующее токопроводящий рисунок, состоящий из элементов простой геометрии различной формы и размеров, причем число элементов каждой разновидности, приходящихся на единицу поверхности электрода сравнения, выбрано из условия соответствия среднему числу аналогичных элементов на единицу площади поверхности металлизируемого изделия. Сравнивая токи, проходящие через печатную плату и электрод сравнения, в момент подключения к источнику постоянного тока определяют площадь металлизации.
Но при металлизации многослойных печатных плат с металлизируемыми торцами и рамками по периметру платы это техническое решение не обеспечивает необходимой точности измерений, так как не учитывает влияния краевых полей металлизируемых торцов плат и рамок по периметру платы, вносящих значительный вклад в общий ток металлизации.
Задачей данного изобретения является повышение точности измерения площади металлизации.
Поставленная задача достигается тем, что на электрод сравнения, выполненный в виде проводящей пластины, на поверхность которой предварительно нанесено непроводящее покрытие, образующее токопроводящий рисунок, состоящий из элементов простой геометрии различной формы и размеров. Число элементов каждой разновидности, приходящихся на единицу площади поверхности электрода сравнения, выбрано из условия соответствия среднему числу аналогичных элементов на единицу площади металлизируемой поверхности, дополнительно нанесено непроводящее покрытие, образующее на проводящей пластине токопроводящий рисунок в виде контура, ширина линий которого равна ширине, площадь - площади рамки металлизируемого изделия, на торцевой поверхности проводящей пластины токопроводящий рисунок в виде контура, ширина линий которого равна толщине, площадь - площади торцов металлизируемого изделия, а шаг линий контуров превышает их удвоенную ширину.
На фиг.1, а приведено схематическое изображение изделия. По периметру платы расположена металлизируемая рамка 1. На металлизированные диэлектрические пластины 2 - подложки нанесено защитное покрытие так, что незащищенные участки 3 образуют металлизируемую поверхность, в том числе металлизируемые отверстия и торцы платы.
На фиг.1, б представлен электрод сравнения, соответствующий изделию фиг.1, а. Он выполнен в виде металлической пластины 2, покрытой защитным слоем, незащищенные участки которой образуют систему из параллельных проводников 3, эквивалентов рамки 1 и торцов пластины 4.
Изделие фиг.2, а имеет металлизируемые рамку 1 и торцы, подложку 2 с проводящими элементами различной формы и размеров 3, а соответствующий электрод сравнения (фиг.2, б) выполнен на металлической пластине 2, незащищенные участки которой образуют систему в виде равномерно распределенных на поверхности пластины проводящих элементов 3, аналогов типовых элементов, содержащихся в изделии, эквивалентов рамки 1 и торцов пластины 4.
Известно, что полное сопротивление слоя электролита между катодом и анодом в гальванической ванне меньше сопротивления столба электролита, ограниченного площадями этих электродов (Лайнер В.И. Защитные покрытия металлов. - М.: Металлургия, 1974, с.136). Это связано с краевыми полями электродов. При дроблении сплошного катода на отдельные фрагменты и удалении их друг от друга этот эффект усиливается.
Металлизируемая поверхность печатных плат представляет собой дискретную структуру, топология которой образована проводниками различной ширины, контактными площадками, металлизируемыми отверстиями, экранирующими поверхностями различной формы и т.д. При измерении площади металлизации печатных плат с такой топологией металлизируемой поверхности дополнительный вклад краевых полей в ток гальванопары вносит значительную погрешность. Так, при использовании электрода сравнения в виде металлической пластины площадью, равной геометрической площади рисунка изделия, она может достигать десятки процентов (Данилов Ю.В., Подкин Ю.Г. Гальванический измеритель площади покрытий. Приборы и техника эксперимента. 1989, № 5, с.227). Аналитический расчет краевых явлений требует сложных, трудно автоматизируемых вычислений и не гарантирует необходимой точности определения площади.
Уменьшить погрешность измерения площади металлизации в методах, использующих электрод сравнения, погружаемый в гальваническую ванну совместно с металлизируемой печатной платой, можно, используя электрод сравнения с дискретным проводящим рисунком. Так как площадь металлизации печатной платы, при известной площади электрода сравнения, пропорциональна квадрату отношения токов платы и электрода сравнения (а.с. SU № 1633271, G01B 7/32), то увеличение тока платы, связанное с краевыми полями мелкоструктурного рисунка платы может быть скомпенсировано выбором конфигурации токопроводящего рисунка электрода сравнения. Краевые поля электродов зависят от формы металлизируемой поверхности, размеров ее элементов и расстояния между электродами гальванопары. Топология реальных печатных плат может существенно различаться, но характерные конфигурации и геометрические размеры металлизируемых проводников в серийной продукции, как правило, сохраняются постоянными.
В современных многослойных печатных платах металлизация, наносимая на торцы печатной платы, и металлическая рамка по периметру печатной платы позволяют улучшить теплоотвод и служат эффективным электромагнитным экраном, но вносят дополнительные краевые поля, которые значительно влияют на эффективную площадь металлизации. Для снижения погрешности измерения площади металлизации многослойных печатных плат следует использовать электрод сравнения, не только содержащий всю номенклатуру типовых элементов металлизируемой платы, но и имитирующий их топологию. Токопроводящий рисунок такого электрода сравнения должен быть образован элементами, характерными для металлизируемой серии печатных плат. Их число на единицу площади электрода сравнения должно совпадать со средним числом этих элементов на единицу площади металлизируемой печатной платы, а конфигурации должны быть идентичны. Кроме того, на электрод сравнения дополнительно следует нанести непроводящее покрытие, образующее на проводящей пластине токопроводящий рисунок в виде контура, ширина линий которого равна ширине, площадь - площади рамки металлизируемого изделия. На торцевой поверхности проводящей пластины формируется токопроводящий рисунок в виде контура, ширина линий которого равна толщине, площадь - площади торцов металлизируемого изделия, а шаг линий контуров превышает их удвоенную ширину.
При разработке технологической оснастки все металлизируемые печатные платы разбиваются на серии с однотипными конфигурациями проводников.
Если изделие фиг.1, а представляет собой печатную плату - металлизированную диэлектрическую подложку 2 с нанесенным на нее защитным диэлектрическим покрытием, образующим проводящий рисунок 3 с проводниками одинаковой ширины, рамку по периметру платы и металлизируемые торцы платы, то металлический электрод сравнения (фиг.1, б) должен содержать параллельные проводники такой же ширины, образованные защитным покрытием на проводящей пластине. Их число на единицу площади должно совпадать со средним числом проводников на единицу площади печатной платы. Дополнительно наносится непроводящее покрытие, образующее на проводящей пластине токопроводящий рисунок в виде контура, ширина линий которого равна ширине, площадь - площади рамки металлизируемого изделия, а на торцевой поверхности проводящей пластины - токопроводящий рисунок в виде контура, ширина линий которого равна толщине, площадь - площади торцов металлизируемого изделия. Шаг линий всех контуров должен превышать их удвоенную ширину.
Если топология металлизируемой поверхности платы образована элементами различной формы и размеров (фиг.2, а), то среднее число каждой разновидности элементов на единицу площади поверхности платы должно совпадать с числом этих элементов на единицу площади поверхности металлического электрода сравнения. На этот электрод также наносят непроводящее покрытие, образующее на проводящей пластине токопроводящий рисунок в виде контура, ширина линий которого равна ширине, площадь - площади рамки металлизируемого изделия, а на торцевой поверхности проводящей пластины - токопроводящий рисунок в виде контура, ширина линий которого равна толщине, площадь - площади торцов металлизируемого изделия. Шаг линий всех контуров и в этом случае должен превышать их удвоенную ширину (фиг.2, б).
Каждая серия плат моделируется одним электродом сравнения. Таким образом, формируется комплект электродов сравнения, используемых по мере необходимости.
Для снижения погрешностей, вызванных увеличением площади электрода сравнения в процессе эксплуатации из-за осаждения на него металла покрытия, электрод сравнения включают для измерения тока сравнения только при загрузке изделий в ванну. Электрод сравнения периодически регенерируют, включая его в качестве анода.
Использование дискретного электрода сравнения по сравнению с традиционным сплошным анодом снижает погрешность установки тока при металлизации на 12-15%. Применение данного электрода сравнения в автоматизированных системах управления гальваническими установками позволяет снизить расход электроэнергии и материалов.