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新聞來源：本站發(fā)布日期：2015-03-10發(fā)布人：admin
PCB高穩(wěn)定性中速化學鍍銅工藝研究
謝金平王群王恒義
（廣東致卓精密金屬科技有限公司，廣東佛山528247）
摘要：主要研究微量添加劑對化學鍍銅鍍液沉積速率及鍍液穩(wěn)定性的影響，通過試驗篩選合適的微量添加劑，在不改變化學鍍銅鍍液主反應物質(zhì)含量的情況下實現(xiàn)鍍速提高和鍍液穩(wěn)定性增加。開發(fā)出的高穩(wěn)定性中速化學鍍銅工藝，其性能滿足PCB工業(yè)化生產(chǎn)。
關鍵詞：化學鍍銅；沉積速率；微量添加劑；PCB
中圖分類號：TN41文獻標識碼：A文章編號：1009-0096（2012）06-0025-03
1·前言
化學鍍銅是指在沒有外加電流的條件下，處于同一溶液中的銅離子和還原劑在具有催化活性的基體表面上進行自催化氧化-還原反應、沉積銅鍍層的一種表面處理技術。目前化學鍍銅在工業(yè)上最重要的應用領域之一是印制線路板的通孔金屬化過程，在印制板的絕緣孔壁內(nèi)沉積上一層銅，使之導通孔金屬化，以便隨后電鍍加厚鍍層導通層間線路[1]。
按照鍍層厚度的不同，可以將化學鍍銅分為薄銅和厚銅體系。PCB孔金屬化流程中目前以化學鍍薄銅工藝為主，化學鍍銅沉積層厚度控制在0.3μm~0.6μm，然后全板電鍍將鍍層加厚至5μm~8μm，進入圖形轉(zhuǎn)移工序，然后進行圖形電鍍。但近年來不少PCB工廠為了降低成本，縮短生產(chǎn)流程，改用中速化學鍍銅的工藝，即化學鍍銅沉積層厚度控制在1.2μm~1.8μm，在完成化學鍍中速銅后，省去了全板電鍍加厚流程，直接進入圖形轉(zhuǎn)移工序，然后進行圖形電鍍。
化學鍍銅液的主要成分有：銅鹽、絡合劑、還原劑、pH值調(diào)整劑、微量添加劑等?；瘜W鍍銅微量添加劑是化學鍍銅中最活躍的研究課題，根據(jù)添加劑作用又可將添加劑分為穩(wěn)定劑、改性劑、表面活性劑等，添加劑用量一般在百萬分之幾十左右，但對化學鍍銅沉積速率、鍍液穩(wěn)定性及鍍層質(zhì)量都起關鍵作用[2][3]。普通的化學鍍薄銅工藝即使適當提高反應溫度和延長反應時間，沉積厚度也很難達到中速銅的厚度要求，為此需要開發(fā)專用的中速化學鍍銅工藝。本文主要研究了化學鍍銅微量添加劑對化學鍍銅沉積速率及鍍液穩(wěn)定性的影響，在化學鍍薄銅基礎參數(shù)上篩選出合適的微量添加劑，進而開發(fā)出PCB中速化學鍍銅體系。
2·實驗
2.1實驗材料
鉆孔后的線路板，板厚：1.2mm，最小孔徑：0.3mm；覆銅板蝕去銅箔后的環(huán)氧樹脂板
2.2化學鍍銅工藝流程
整孔→熱水洗→水洗（兩次）→微蝕→水洗（兩次）→預浸→活化→水洗（兩次）→速化→水洗（兩次）→化學鍍銅→水洗（兩次）→電鍍銅
整孔：50℃，5%堿性除油劑，5min
微蝕：室溫，80g/L過硫酸鈉+3%硫酸，2min
預浸：室溫，100%預浸液，1min活化：40℃，含40×10-6Pd膠體鈀溶液，5min
速化：室溫，10%速化液，2min化學鍍銅：40℃，30min
2.3化學鍍銅液基本組成
基礎組分：CuSO4.5H2010g/L，EDTA40g/L，NaOH10g/L，甲醛（37％）10ml/L，2,2’-聯(lián)吡啶20mg/L，亞鐵氰化鉀60mg/L，用去離子水配制成溶液。
2.4添加劑對化學鍍銅的影響
向化學鍍銅基礎溶液中添加不同種類的微量添加劑，并與未加添加劑的化學鍍銅液作參照，分別測定鍍速及鍍液穩(wěn)定性變化，初步篩選出既能提高沉積速率又能穩(wěn)定鍍液的添加劑；設計正交試驗，確定滿足中速化學鍍銅的最佳微量添加劑組合。
2.5鍍液及鍍層性能評價[4]
2.5.1背光測試
將印制板試樣化學鍍銅后沿導通孔孔邊切割為長條，用砂紙磨制到孔中心位置，背對著光源置于100倍放大鏡下觀察孔壁透光情況，以檢測化學鍍銅在孔壁覆蓋的完整性和致密性。通常根據(jù)孔壁透光情況分為1~10個等級，其中10級為完全不透光，覆蓋性最好。
2.5.2沉積層晶體結(jié)構(gòu)
樹脂板經(jīng)化學鍍銅全流程，沉積1.5微米左右化學鍍銅層，用掃描電鏡觀察鍍層表面形貌及晶體結(jié)構(gòu)。
2.5.3熱應力試驗
用于測試化學鍍銅層與樹脂層及電鍍銅層的結(jié)合力，測試條件：（288±5）℃，浸錫10s，3次，參照IPC-TM-6502.6.8標準測試方法中―鍍通孔的熱應力試驗。
2.5.4鍍液穩(wěn)定性
采用氯化鈀加速試驗，取50ml鍍液與100ml燒杯中，恒溫40℃，在無打氣狀態(tài)下加入1ml活化槽液，觀察鍍液變化，以鍍液分解時間長短區(qū)分穩(wěn)定性。
3·結(jié)果與討論
3.1不同添加劑對化學鍍銅沉積速率的影響（單因素結(jié)果）
在化學鍍銅基礎組分中單獨加入不同種類的微量添加劑，參考相關文獻[5][6]，分別選取含氮基化合物、含氧基化合物、含硫基化合物、炔類化合物、高分子聚合物等不同基團結(jié)構(gòu)的添加劑做定性測試。以化學鍍銅基礎組分為參比，在基礎組分中各加入文獻建議含量（通常為10×10-6~100×10-6）的化合物，單獨考察每種微量添加劑對化學鍍銅速率及鍍液穩(wěn)定性的影響，期望找到既可以穩(wěn)定鍍液又可以提高沉積速率的微量添加劑，部分測試結(jié)果如下：
上述微量添加劑中，大部分具有增加鍍液穩(wěn)定性的作用，但同時會降低化學鍍銅的沉積速率；部分微量添加劑可以提高鍍速但同時降低鍍液的穩(wěn)定性；但也發(fā)現(xiàn)有一些特殊的微量添加劑，既能穩(wěn)定鍍液，又能對化學鍍銅沉積速率有正面促進作用，我們認為這類既能穩(wěn)定鍍液又能提高鍍速的微量添加劑比較適合于中速化學鍍銅體系。表1為部分微量添加劑對鍍液穩(wěn)定性和沉積速率的定性測試結(jié)果，二乙基二硫代氨基甲酸鹽可以增加鍍液穩(wěn)定性但會降低鍍速，2-巰基苯駢噻唑可以提高鍍速但會降低鍍液穩(wěn)定性，雙硫腙等一些微量添加劑既可以穩(wěn)定鍍液又可以提高鍍速。
3.2微量添加劑組合正交試驗
3.2.1正交試驗設計
化學鍍銅反應復雜，微量添加劑之間互相影響，需要對鍍液各微量添加劑設計正交試驗確定最佳含量及組合。在化學鍍薄銅原有微量添加劑基礎上引進兩種既能穩(wěn)定鍍液又能增加鍍速的添加劑1和添加劑2進行正交優(yōu)化實驗，各因素水平如表2所示。
3.2.2正交試驗結(jié)果
3.2.3沉積速率正交試驗結(jié)果分析
根據(jù)表3結(jié)果可作出以下分析：由極差可以判斷每一因素對指標的影響主次因素，極差越大，對指標的影響越大，由此得出4種微量添加劑對化學鍍銅沉積速率的影響順序為：添加劑1＞添加劑2＞2,2’-聯(lián)吡啶＞亞鐵氰化鉀。
3.2.4鍍液穩(wěn)定性正交試驗結(jié)果分析
根據(jù)表5正交試驗極差分析數(shù)據(jù)及圖1沉積速率效應圖可以得出4種微量添加劑對化學鍍銅沉積速率的影響順序為：添加劑1＞添加劑2=2,2’-聯(lián)吡啶=亞鐵氰化鉀，微量添加劑1和微量添加劑2均能提高鍍液穩(wěn)定性。
3.2.5正交試驗結(jié)論
在兼顧原料成本及鍍液穩(wěn)定性、鍍層質(zhì)量的基礎上，正交試驗得出的化學鍍銅微量穩(wěn)定劑的最佳組合為A1B2C2D2，此配方組合沉積厚度可達1.6μm，鍍液穩(wěn)定性極高，滿足中速化學鍍銅基本要求。
3.3鍍層性能測試
按照正交試驗的最佳微量添加劑配方組合配制相應的化學鍍銅溶液，按照工業(yè)化應用要求對此中速化學鍍銅工藝進行相關鍍層可靠性測試。
3.3.1背光測試
圖2為鉆孔后的線路板經(jīng)過上述中速化學鍍銅流程的背光圖，背光等級為10級，表明本中速化學鍍銅配方體系對線路板孔壁具有良好覆蓋性。
3.3.2鍍層晶體結(jié)構(gòu)
圖3為線路板基材環(huán)氧樹脂經(jīng)過上述中速化學鍍銅流程沉積化學鍍銅層的表觀形貌，由SEM圖片看出中速化學鍍銅鍍層結(jié)晶均勻、致密。
3.3.3熱應力測試
圖4為鉆孔后的線路板經(jīng)過上述中速化學鍍銅及電鍍加厚流程完成孔金屬化后進行熱應力測試的切片圖，經(jīng)過熱應力測試（按1.5.3方法）后鍍層完整、無孔壁分離等不良，表明化學鍍銅層與樹脂層及電鍍銅層的結(jié)合力良好，滿足工業(yè)化要求。
4·結(jié)論
微量添加劑對化學鍍銅鍍液沉積速率及穩(wěn)定性均有顯著影響，含硫或同時含氮、硫雜環(huán)的個別化合物既能穩(wěn)定鍍液又能增加鍍速，比較適合中速化學鍍銅工藝選用。在普通化學鍍銅原有配方基礎上加入此類微量添加劑可以得到鍍液更加穩(wěn)定的中速化學鍍銅工藝，鍍層各項性能滿足PCB工業(yè)化生產(chǎn)。
參考文獻
[1]田慶華,閆劍鋒等.化學鍍銅的應用與發(fā)展概況[J].電鍍與涂飾,1997,26(4):38-41.
[2]蔡積慶.化學鍍銅[J].電鍍與環(huán)保,1996,16(3):11-15.
[3]周仲承,馬斯才等.以酒石酸鈉鉀為絡合劑的常溫化學鍍銅液研制[J].印制電路信息,2010,z1:98-102.
[4]IPC-TM-650TestMethodsManual.
[5]方景禮.電鍍添加劑理論與應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.
[6]王桂香等.電鍍添加劑與電鍍工藝[M].北京:化學工業(yè)出版社,2011.
