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或聚乙二醇類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)化合物的季銨類和鎓鹽類物質(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?；瘜W(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)?，攪拌速度下降?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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