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        高電流密度通孔電鍍銅影響因素的研究

        2015-12-05 09:18:10肖定軍
        電鍍與精飾 2015年8期
        關(guān)鍵詞:銅層鍍銅整平

        陳 楊, 程 驕, 王 翀,, 何 為,,朱 凱, 肖定軍

        (1.電子科技大學(xué) 應(yīng)用化學(xué)系,四川 成都 610054;2.廣東光華科技股份有限公司,廣東 汕頭515061;3.廣東東碩科技有限公司,廣東 廣州 510663)

        引 言

        隨著印制線路板(PCB)向著“短、小、輕及薄”的快速演進(jìn),對(duì)微小通孔和高厚徑比板件電鍍制作要求也越來(lái)越高[1],目前高厚徑比微通孔和精細(xì)線路的電鍍銅是一大難題[2]。盡管脈沖電鍍能較好地解決高厚徑比微通孔的電鍍問(wèn)題,但也存在明顯的缺陷[3]:1)脈沖電源昂貴,投資大,維護(hù)成本高;2)脈沖電源與電鍍槽之間連接要求高,連接不當(dāng)或接觸不好都會(huì)影響電鍍效果;3)脈沖電鍍需要使用特殊化學(xué)添加劑。因此,直流電鍍?nèi)匀皇荘CB電鍍銅最常用的方法。

        目前,通過(guò)開(kāi)發(fā)新電鍍添加劑,以及合理地設(shè)置電鍍參數(shù)改變銅電沉積的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,能夠很好地滿足高厚徑比微通孔和超精細(xì)線路板件的電鍍銅要求。

        通孔電鍍能夠?qū)崿F(xiàn)不同層的導(dǎo)電金屬之間的電氣連接[4]。均鍍能力(TP)是評(píng)估PCB微通孔電鍍銅質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[5]。本文采用六點(diǎn)法測(cè)量TP,所得到的值比十點(diǎn)法小,但能夠更準(zhǔn)確地反映微通孔板件的均鍍能力。

        提升微通孔的均鍍能力,具有雙重意義:1)減薄表面銅層厚度,利于高密度互聯(lián)(HDI)、撓性板等精細(xì)線路的制作,并降低銅的用量,節(jié)約成本;2)在保證孔徑要求的前提下,增加微通孔孔中心銅厚度,保證PCB板的電氣連接性能[6]。微通孔模型如圖1所示。TP的計(jì)算見(jiàn)式(1)所示(其中δA~δF表示該點(diǎn)處的鍍銅層厚度)。

        圖1 通孔模型示意圖

        垂直連續(xù)電鍍線(VCP)是新型的PCB專(zhuān)用電鍍生產(chǎn)線,與龍門(mén)式電鍍線相比具有自動(dòng)化程度高,操作流程簡(jiǎn)單,電鍍效能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),更可以在保證鍍層均勻性的前提下提高陰極電流密度。垂直連續(xù)電鍍線與龍門(mén)式電鍍線的性能對(duì)比如表1所示。

        表1 VCP線和龍門(mén)電鍍生產(chǎn)線對(duì)比

        在PCB電鍍中,不同區(qū)域鍍層厚度受板面與孔內(nèi)的電位差影響而產(chǎn)生巨大差異。在通孔電鍍模型中,孔銅電位降(φIR)如式(2)的關(guān)系[3]:

        式中:Jκ為陰極電流密度;L為板厚;κ為電鍍液電導(dǎo)率;d為孔徑。

        可見(jiàn),高電流密度和高厚徑比(L/d)將增大電位差,降低鍍層厚度均勻性。而提高鍍液電導(dǎo)率κ,則能夠提高電鍍均勻性。在PCB電鍍中κ不但跟鍍液的組分相關(guān),也和溶液的交換速率有關(guān)。板面的溶液交換受攪動(dòng)和攪拌氣流量影響,而孔內(nèi)則由陰極擺動(dòng)決定。

        另外,酸性鍍銅中,添加劑也是影響TP的重要因素[7]。通過(guò)光亮劑、抑制劑和整平劑三組分的協(xié)同作用,能夠提高電鍍的正整平作用,使鍍層厚度更均勻。光亮劑常用有機(jī)硫化物,如SPS、MPS等,質(zhì)量濃度在 0.01 ~0.02 g/L[8-9],能夠促進(jìn) Cu2+在陰極表面得電子還原,本文光亮劑使用SPS(德國(guó)拉西格公司)。抑制劑主要是聚醚類(lèi)或聚乙二醇類(lèi)非離子型表面活性劑,具有較好的親水親油平衡以及較高的溶解能力[10]。整平劑一般為含氮雜環(huán)化合物的季銨類(lèi)和鎓鹽類(lèi)物質(zhì),如三乙胺與環(huán)氧氯丙烷的反應(yīng)產(chǎn)物和聚乙烯基咪唑,在陰極表面高電流區(qū)與Cu2+競(jìng)爭(zhēng)吸附從而降低銅的沉積速率。是在通孔電鍍中起正整平作用的主要成分[11-12]。本文中抑制劑和整平劑均自行合成,配制成水溶液使用。

        在電鍍液中,銅離子濃度和攪拌強(qiáng)度能夠影響銅的輸運(yùn),添加劑組分能夠影響電荷傳遞和電沉積過(guò)程,從而改變二次電流分布。各參數(shù)必須達(dá)到適當(dāng)?shù)谋壤拍馨l(fā)揮最大作用,最佳的添加劑配比能夠很大程度提高微通孔的TP。本文對(duì)銅離子和三種添加劑的濃度進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),尋找在VCP線施鍍參數(shù)下TP不低于80%的最佳電解液配比,以用于實(shí)際生產(chǎn)。

        1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        實(shí)驗(yàn)使用δ為1.6mm的雙面覆銅板,通過(guò)機(jī)械鉆孔得到最小 d 為 0.25mm(L/d=6.4∶1.0)的微孔陣列,裁成10cm×5cm試板,依照常規(guī)的PCB板電鍍銅生產(chǎn)工藝流程,依次為化學(xué)整孔→催化活化→化學(xué)鍍銅→電鍍銅。化學(xué)整孔,用一系列化學(xué)藥水除去機(jī)械鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的膠渣和油污,并調(diào)整微通孔樹(shù)脂表面的荷電狀態(tài),創(chuàng)造催化劑顆粒能夠緊密吸附在樹(shù)脂表面的環(huán)境;催化活化,使鈀催化劑吸附在孔壁上并激活;化學(xué)鍍銅采用堿性化學(xué)鍍銅工藝,在微通孔表面緊密沉積一層銅,使原本絕緣的微通孔內(nèi)表面導(dǎo)電。通過(guò)化學(xué)鍍銅工藝在微通孔內(nèi)壁的樹(shù)脂表面緊密生長(zhǎng)一層數(shù)微米厚的銅層,使微通孔內(nèi)壁金屬化,以便電鍍銅。

        測(cè)試板預(yù)浸稀硫酸,固定于哈林槽正中實(shí)施電鍍。電鍍過(guò)程采用兩塊磷銅板陽(yáng)極,控制攪拌氣流量為3.4L/min,Jκ為3.2A/dm2。根據(jù)CuSO4·5H2O、整平劑(L劑)、光亮劑(B劑)和抑制劑(C劑)四種物質(zhì)的質(zhì)量濃度制作L9(3)4正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用Olympus-BX51金相顯微鏡(日本)觀察微通孔徑向的冷鑲嵌切片,測(cè)量微通孔電鍍銅層厚度。完成實(shí)驗(yàn)后,得出最優(yōu)鍍液組成并進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。采用最優(yōu)鍍液組成分別改變電流密度和氣流量進(jìn)行比照,并將該鍍銅液用于另一規(guī)格的PCB通孔電鍍,最后用于PCB微盲孔的預(yù)鍍,檢測(cè)其可用性。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

        2.1 電鍍液組成對(duì)均鍍能力的影響

        對(duì)每組實(shí)驗(yàn)分別取2個(gè)切片共六個(gè)孔進(jìn)行分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值,以TP值為考察指標(biāo),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

        表2 正交實(shí)驗(yàn)表及數(shù)據(jù)

        圖2為正交試驗(yàn)分析結(jié)果。圖2的分析結(jié)果表明,光亮劑質(zhì)量濃度為顯著影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè) 80g/L CuSO4·5H2O、0.6mL/L 整 平 劑、0.15mL/L光亮劑、3mL/L抑制劑時(shí)為最優(yōu)鍍液組成,TP值可達(dá)到87%。使用上述最優(yōu)鍍液進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),實(shí)測(cè)TP值為80.5%,高于每組正交試驗(yàn)結(jié)果,證明正交試驗(yàn)預(yù)測(cè)的最佳值可信。在最優(yōu)條件下所得到的微通孔切片如圖3所示。從鍍層質(zhì)量上看,孔壁銅層平整均勻,無(wú)斷裂,孔口不會(huì)因添加劑過(guò)分作用而產(chǎn)生減薄現(xiàn)象,表明鍍層質(zhì)量符合PCB品質(zhì)要求。

        圖2 正交試驗(yàn)分析結(jié)果

        圖3 最佳參數(shù)下微通孔鍍銅層切片顯微照片

        2.2 陰極電流密度的影響

        取最優(yōu)的電鍍銅溶液組成,將陰極電流密度升高到4.3A/dm2進(jìn)行實(shí)驗(yàn),均鍍能力為50.6%。圖4為孔口和孔中心切片顯微照片。升高電流密度增大了孔內(nèi)與板面電位差,拉大了不同位置的鍍層厚度差異。與Jκ為3.2A/dm2的切片圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),在高電流密度下,板面銅層δ從21.7μm增加大29.9μm,孔中心的銅層δ從17.5μm降低到了15.1μm。板面鍍層越厚,消耗的銅越多,PCB生產(chǎn)成本就越高。

        圖4 Jκ=4.3A/dm2微通孔鍍銅層切片照片(500×)

        2.3 攪拌強(qiáng)度的影響

        取最優(yōu)的電鍍銅溶液組成,將空氣攪拌流量降低到1.7L/min進(jìn)行實(shí)驗(yàn),均鍍能力為73.6%。圖5分別為孔口和孔中心鍍銅層切片顯微照片。與空氣流量3.4L/min的切片圖相比,在較小的氣流量下,孔中銅層厚度減薄。這是因?yàn)椋瑪嚢杷俣认陆祵?dǎo)致孔內(nèi)溶液流動(dòng)減緩,溶液電阻增大,銅層沉積量減少。當(dāng)攪拌達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí),隨著攪拌強(qiáng)度的繼續(xù)增加,孔內(nèi)溶液流動(dòng)和溶液電阻的變化趨勢(shì)減弱,沉積量的增量減小。因此氣流量降低實(shí)驗(yàn),并沒(méi)有使TP下降很多。

        圖5 1.7L/min氣流量下微通孔切片照片(500×)

        2.4 其他規(guī)格的通孔電鍍

        將最優(yōu)電鍍液參數(shù)應(yīng)用于另一種類(lèi)型的測(cè)試板,檢查測(cè)試板上三種孔徑的微通孔電鍍結(jié)果,孔徑尺寸和最終得到TP值如表3所示。由表3可知,該配方用于類(lèi)似規(guī)格的通孔電鍍亦有很好的效果,對(duì)于高厚徑比8∶1的通孔,在3.2A/dm2的較高電流密度下,TP能達(dá)到67.5%。相同電鍍參數(shù)下,d=0.20mm孔和d=0.25mm孔的孔中心銅層δ分別為20.84和23.59μm??讖皆叫?,溶液交換效果越差,溶液電阻相應(yīng)增大,孔內(nèi)銅層厚度就越薄。

        表3 1.6mm板電鍍銅均鍍能力

        2.5 盲孔的預(yù)鍍

        有些PCB企業(yè)在VCP線上進(jìn)行微盲孔填充前的預(yù)鍍。將最優(yōu)電鍍參數(shù)用于0.4mm板厚的盲孔電鍍,通過(guò)切片觀察介質(zhì)層厚 100μm,孔徑為130μm的盲孔,孔底銅層δ僅3~4μm,無(wú)法滿足實(shí)際要求。通過(guò)調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù),在 100g/L CuSO4·5H2O,15g/L 抑制劑,0.15g/L 光亮劑,0.6g/L整平劑及1A/dm2電流密度條件下,得到滿足要求的電鍍結(jié)果(如圖6)。面銅層δ約為8μm,孔底銅層δ為9.08μm,TP>100%。與微通孔電鍍相比,微盲孔電鍍需要更高的銅離子質(zhì)量濃度和抑制劑質(zhì)量濃度,低銅高酸鍍銅溶液并不適合微盲孔內(nèi)銅層的加厚。

        圖6 微盲孔切片顯微照片(500×)

        3 結(jié)論

        本文通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),得出在3.2A/dm2電流密度下均鍍能力達(dá)到80.5%的微通孔電鍍銅工藝參數(shù)。另外,實(shí)驗(yàn)表明,電流密度和攪拌強(qiáng)度都能夠影響鍍銅層TP值。陰極電流密度從3.2A/dm2升高到 4.3 A/dm2,TP值降低了 30%。氣流量從3.4L/min降低到 1.7L/min,TP 值下降了 6.4%,攪拌能影響電鍍界面物質(zhì)傳遞,使電流密度重新分布。因此在PCB微通孔電鍍過(guò)程中,為了得到更加均勻的鍍層,可以減小陰極電流密度并加強(qiáng)鍍液攪拌。

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