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深圳市海祺電子科技有限公司

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PCB沉銅制作流程
文章作者:admin 時間:2017-09-07 11-07-28

一、 沉銅目的

沉銅的目的是使孔壁上通過化學反應而沉積一層0.3um-0.5um的銅,使孔壁具有導電性,通常也稱作化學鍍銅、孔化。

二、 沉銅原理

絡合銅離子(Cu2+-L)得到電子而被還原為金屬銅;通常是利用甲醛在強堿性環境中所具有的還原性并在Pd作用下而使Cu2+被還原。

文本框: 0=

Pd

    Cu2++2HCHO+40H- → Cu+2HC-O-

三、 

Cu

工藝流程

去毛刺→膨脹→去鉆污→三級水洗→中和→二級水洗→除油調整→三級水洗→微蝕

 

多層板

→二級水洗→預浸→活化→二級水洗→加速→二級水洗→沉銅→二級水洗→板面電鍍→幼磨→銅檢

四、        工藝簡介

1. 去毛刺

由于鉆孔時的板面會因鉆頭上升和下降時產生的毛刺(披鋒),若不將其除去會影響金屬化孔的質量和成品的外觀,所用的方法為:用含碳化硅磨料的尼龍棍刷洗,再用高壓水沖洗孔壁,沖洗附在孔壁上大部分的微粒和刷下的銅屑。

2. 膨脹

因履銅板基材樹脂為高分子化合物,分子間結合力很強,為了使鉆污樹脂被有效地除去,通過膨脹處理使其分解為小分子單體。

3. 除膠(去鉆污)

使孔壁環氧樹脂表面產生微觀上的粗糙,以提高孔壁與化學銅之間的接合力,并可提高孔壁對活化液的吸附量,其原理是利用KMnO4在堿性環境聽強氧化性將孔壁表面樹脂氧化:

C(樹脂)+2KMnO4→2MnO2+CO2↑+2KOH

 

電解

(副)1. 4KMnO4+4KOH→4K2MnO4+2H2O+O2↑

 (再生)2. 3K2MnO4+2 H2O → 2KMnO4+MnO2+4KOH

若K2MnO4含量過高,會影響KMnO4去鉆污效果,固此在槽中用電極使生成的K2MnO4再生為KMnO4。

4. 中和

經堿性KMnO4處理后的板經三級水洗后能洗去附在板面和孔內大部分的KMnO4,但對于后工序的影響也很大(KMnO4有很強的氧化性,和處理液本身為強堿性),必須用具酸性和還原的中和劑處理,在生產中通常用草酸作中和還原處理(H2C2O4)反應:

2MnO4-+H2C2O4 +16H+→Mn2++10CO2↑+8H2O

MnO2++C2O4- +4H+→Mn2++CO2↑+2H2O

有時為了對孔壁上的玻璃纖維進行蝕刻和粗化作用,在中和槽中加入NH4HF+H2SO4作為玻璃蝕刻劑。

5. 除油、調整處理

化學鍍銅時,在孔壁和銅箔表面同時發生化學鍍銅反應,若孔壁和銅箔表面有油污,指紋或氧化層會影響化學銅與基銅之間的結合力;同時直接影響到微蝕的效果,隨之而來的是化銅與基銅的結合差,甚至沉積不上銅,所以必須進行除油處理,調整處理是為了調整孔壁基材表面因鉆孔而附著的負電荷,由于此負電荷的存在,會影響對催化劑膠體鈀的吸附,生產中通常用陽離子型表面活性劑作為調整劑。

6. 微蝕刻處理

微蝕刻處理也叫粗化或弱腐蝕,通過此作用在銅基體上蝕刻0.8-3um的銅,并使銅面在微觀上表現為凸凹不平的粗糙面,一方面可以使基體銅吸附更多的活化鈀膠體,另一主要作用是提高基銅與化學銅的結合力。微蝕按照不同的微蝕劑,常有雙氧水,NPS、(NH4)2S2O8等種類,它們都是在約2-5%的H2SO4環境中與銅作用達到微蝕目的,因微蝕量微蝕量與微蝕液濃度,溫度和時間及Cu2+含量有很大關系,微蝕控制:

                          Cu2+<25g/l

                         T:常溫(28℃)

                         時間:1-2.5min

7. 預浸處理

若生產中的板不經過預浸處理而直接進入活化缸,活化缸會因為板面所附著的水,使活化液的PH值發生變化,活化液的有效成份發生水解,影響活化效果,預浸液的組成為活化液的一部分,所以預浸液會因活化液的不同而異。

8. 活化處理

活化的作用是在絕緣的基體上(特別是孔壁)吸附一層具有催化能力的金屬,使經過活化的基體表面具有催化還原金屬的能力。活化液的有效成份為Sn2+、Pd2+等膠體離子,在活化液中發生如下反應:

Pd2++2Sn2+ →[PdSn2]2+→Pd0+Sn4++Sn2+

當完成活化處理后進入水洗缸,Sn2+會和活化液中Cl和水發生:

SnCl2+H2O→SnOHCl↓+HCl

       在SnCl2沉淀的同時,連同Pd0核一起沉積在被活化的基體表面。

9. 加速處理

活化之后在基體表面上吸附的是以金屬鈀為核心的膠團,在膠團的周圍包圍著堿式錫酸鹽,而真正起催化作用的鈀并沒有充分露出,所以在化學沉銅前除去一部分包在鈀核周圍的錫化合物使鈀核露出,以增強鈀的活性,也增加了基體化銅的結合力,加速液濃度太高,處理時間過長會使基體表面的鈀脫落,造成孔無銅等問題,所以加速處理應作適當控制。

10.        化學沉銅

經過以上處理的印制板進入沉銅液,沉銅液中Cu2+與還原劑在催化劑金屬鈀的作用下發生氧化還原反應,在基體表面沉積一層0.3-0.5um的薄銅,使本身絕緣的孔壁產生導電性,使后續的板面電鍍和圖形電鍍得以順利進行。

(1)    化學沉銅液的成份:

銅鹽:CusO4·5H2O         5-15g/l

還原劑:HCHO            2.5-5g/l

PH調節劑:NaOH          7-10g/l

絡合劑:   適量

(2)    反應機理

絡合的銅離子(Cu2+-L)在堿性環境中得到電子被還原為Cu

Cu2+-L+2e→Cu+L     ……①

文本框: 0=化學沉銅與電鍍在本質上的差別是化學沉銅的電子由還原劑甲醛提供,而 電鍍銅時則由電源提供,甲醛釋放電子:

文本框: 0=2H—C—H+4OH-→2H—C—O-+2H2↑+2e……②

由①②反應得到化學沉銅反應機理:

 

Pd.

 

Cu.

Cu2++2HCHO+4OH- → Cu+2HCOO-+2H2O+H2↑

(3)    化學沉銅液條件

①化學沉銅液為強堿性,甲醛的還原能力取決于沉銅液的堿性強弱,即NaOH的含量。

②化學沉銅液中由于有Cu2+與OH-的共存,為了防止Cu(OH)2沉淀的形成,絡合劑必不可少,為Cu2+濃度的1-1.5倍即可。

③保證沉銅液中有足夠且適量的還原劑。

④只有在催化劑(Pd、Cu)的存在下才能沉積出Cu。

(4)    化學沉銅液中其它反應

在加有甲醛的沉銅液中,無論使用與否會存在以下反應:

 

OH-

文本框: 0=文本框: 0=2Cu2++H—C—H+5OH-→Cu2O+H—C—O-+2H2O

Cu2O+H2O     2Cu2++2OH

生成的Cu2+歧化反應:

2Cu+→Cu+Cu2+

    所以必須連續用5um的過濾器過濾沉銅液防止Cu顆粒存在于沉銅液中。

② 康尼查羅反應

2HCHO+NaOH→HCOONa+CH3OH

    所以,在放置不用(即保養后)的沉銅液在重新啟用時,必須調節NaOH,補加HCHO,為了防止甲醛濃度過低時形成大量Cu2O。

(5)    化學沉銅反應步驟

① 經活化后的基體浸入化學沉銅液中時,在活化劑表面上開始大量吸附甲醛自身水解而生成的甲叉二醇,并由于活化劑的作用,使甲叉二醇具有負電性。

② 帶正電的四水合銅離子在帶負電性的甲叉二醇的吸引下遷移到活化劑表面,并積累形成雙電子層。

③ 文本框: 0=

H

水合銅離子在活化劑表面脫水,甲叉二醇發生羥基斷裂:

 

 H

2HO—C—OH+Cu2++OH-→Cu+2 H C—O- +2H2O+2H++H2↑

 

④ 新沉積的銅將活化劑掩蓋,其本身成為活化中心,不斷地吸附甲叉二醇生成新的沉積銅層。

(6)    化學沉銅液穩定性

① 因化學沉銅是在空氣攪拌條件下進行的,為了保證穩定性必須加入含有S和N的有機物,另外有些穩定劑可以有選擇性也絡合Cu+、使Cu2+氧化電位降低,易被O2氧化,釋放出合劑。

② 嚴格控制溶液溫度

③ 連續過濾化學沉銅液,除去Cu顆粒。

④ 加入高分子化合物,掩蔽新生成顆粒銅。

11.        板面電鍍

 

18-25min

上板

板面電鍍作用是在化學銅基礎上通過電鍍的方法將整個銅面和孔內薄銅加厚7-10um,以利于后續工序,板面電鍍與圖形電鍍在原理上和工藝上相同的不作詳細介紹:

 

經檢驗合格板

已沉銅板 → 浸酸(除去表面氧化物)→電鍍→水洗→下板→幼磨 →下工序

五、沉銅工序中常見問題及解決方法

① 起泡或掉皮通常是因為板電銅(即一銅)與基銅或化學銅與基銅結合力差造成其原因有:

a. 化學沉銅線上除油不盡,基銅表面有手指印。

b. 微蝕不足。

c. 化學沉銅后表面氧化的未被板鍍除盡所導致。

解決方法;控制好相關的槽液在工藝范圍內,并按產量或分析結果作相應調整。

② 孔內粗糙

原因:

a. 除膠強度不夠,膨脹不足。

b. 某些水缸或藥液缸中有臟物。

c. 鉆孔質量不好,e板本身原因。

d. 沉銅液中生成的銅顆粒附在孔壁。

解決方法:

a. 分析除膠和膨脹缸藥液,并作相應調整。

b. 通過試驗找出產生原因的缸,并用5%H2SO4浸泡2h,對藥液缸倒缸清洗,充分過濾藥液。

c. 選用合格鉆頭,用合適的參數進行作業,并在沉銅前作好清潔孔內工作。

d. 在生產中詳細跟蹤,檢查過濾系洗口:加強來料檢驗。

③ 板面粗糙

a. 缸中有臟物

b. 沉銅液中顆粒附在板面

c. 板鍍電鍍液中臟物

解決方法:同于孔粗,作好生產線清潔保養。

④ 板面沙粒

原因:藥液缸中有臟物附著

解決方法:同上

⑤ 孔無銅

原因:a、活化不足

      b、沉銅缸失調

      c、加速過度

解決方法:

a、分析活化液,并作相應調整。

b、調整沉銅液在工藝范圍內,有必要則重新開缸。

c、降低加速處理條件,如濃度、時間和溫度。   

⑥ 水漬

水漬產生的主要原因可能是微蝕過度,或微蝕質量差,處理方法:選擇合適的微蝕劑,并控制好微蝕量和質量,其他原因在查找之中。

   9.在板面電鍍中的缺陷及解決方法和圖形電鍍相同,這里不作敘述。

        返工板

①     孔無銅,露纖維板作返沉處理。

②     孔紅、孔黑板作返鍍處理。

③     板面起泡板,局部輕微起泡,用刀片刮凈,擦砂紙行板,嚴重板微蝕3-5min,粗磨再返沉。

④     停電或機械故障時活化后氧化嚴重板需粗磨后返沉。

10. 特殊工藝生產板

① 客供CEM-3松下料板沉銅時不過膨脹處理。

② φ0.35mm以下板沉兩次銅,沉第二次時直接從預浸缸下板,有此沉兩次程序。

③單面板孔內需沉銅板,沉銅后用布碎擦去樹脂面沉積銅層,再單面電流電鍍。

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