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化学沉铜的工艺一

化学沉铜(一)

化学铜被广泛应用于有通孔的印制线路板的生产加工中,其主要目的在于通过一系列化学处理方法在非导电基材上沉积一层铜,继而通过后续的电镀方法加厚使之达到设计的特定厚度,一般情况下是1mil(25.4um)或者更厚一些,有时甚至直接通过化学方法来沉积到整个线路铜厚度的。化学铜工艺是通过一系列必需的步骤而最终完成化学铜的沉积,这其中每一个步骤对整个工艺流程来讲都是很重要。

  本章节的目的并不是详述线路线路板的制作过程,而是特别强调指出线路板生产制作中有关化学铜沉积方面的一些要点。至于对那些想要了解线路板生产加工的读者,建议参阅其它文章包括本章后的所列举一部分的参考书目。

  镀通孔(金属化孔)的概念至少包涵以下两种含义之一或二者兼有:

  1.形成元件导体线路的一部分;
  2.形成层间互连线路或印制线路;

  一般的一块线路板是在一片非导体的复合基材(环氧树脂-玻璃纤维布基材,酚醛纸基板,聚酯玻纤板等)上通过蚀刻(在覆铜箔的基材上)或化学镀电镀(在覆铜箔基材或物铜箔基材上)的方法生产加工而成的。

  PI聚亚酰胺树脂基材:用于柔性板(FPC)制作,适合于高温要求;
  酚醛纸基板:可以冲压加工,NEMA级,常见如:FR-2,XXX-PC;
  环氧纸基板:较酚醛纸板机械性能更好,NEMA级,常见如:CEM-1,FR-3;
  环氧树脂玻纤板:内以玻璃纤维布作增强材料,具有极佳的机械性能,NEMA级,常见如:FR-4,FR-5,G-10,G-11;
  无纺玻纤聚酯基板:适合于某些特殊用途,NEMA级,常见如:FR-6;
  化学铜/沉铜

  非导电基材上的孔在完成金属化后可以达到层间互连或装配中更好的焊锡性或二者兼而有之。非导电基材的内部可能会有内层线路---在非导电基材层压(压合)前已经蚀刻出线路,这种过程加工的板子又称多层板(MLB)。在多层板中,金属化孔不仅起着连接两个外层线路的作用,同时也起着内层间互联的作用,加入设计成穿过非导电基材的孔的话(当时尚无埋盲孔的概念)。

  现在生擦和许多线路板在制程特点上都采用层压基板下料,也就是说,非导体基材的外面是压合上去一定厚度电解法制作的铜箔。铜箔的厚度是用每平方英尺的铜箔重量(盎司)来表示的,这种表示方法转化为厚度即为表13.1所示:
  表13.1基材铜箔常见厚度对照:
  OZ/ft2 铜箔厚度
  0.5 0.7mil(17.5um)
  0.25 0.35mil(8.75um)
  1 1.4mil(35um)
  2 2.8mil(70um)

  非导体基材有不同厚度因为要求不同,可能会要求很强的刚性也可能要求很薄的以致柔性也很好的基材.
在加成法生产加工中,使用的是无铜箔基材.这样化学通的作用不仅是孔金属化,而且同时也是为后续电镀创造一个表面基材导体化电镀基底,或者甚至完全靠化学铜沉积至特定厚度并形成整个表面的线路图形.

  现在好多板子是采用不同基材生产加工的,无论是双面板还是多层线路板.对不同基材类型的前处理加工也稍有不同,值得加以注意和讨论. 在讨论化学铜槽本身的原则方法对于化学铜前处理也是同样适用的.

  减成法工艺减成法工艺

  因为在多层线路板采用化学铜做穿孔镀工艺处理时,有一些特殊的因素需要考虑,这里需要对多层板工艺的相关部分做一个简要介绍.完全详细的多层板生产加工的描述不再本章范围内.

  一般,生产流程从一块双面覆铜箔的基材开始,基材内可能含有也可能没有内层或线路层(先前制作好的).

  第一步是在特定位置孔的加工,使用钻孔或冲孔的方法穿透铜箔和非导电基材.无论是钻孔还是冲孔,取决于三明治式结构的基材的厚度,特别是非导电基材钻孔或冲孔加工的简易性,两种加工方法的可能得到质量水准.在一些情况下,也要考虑成孔方式的批量加工性(失败成本的分摊等).

  一旦孔加工成型,在进入镀铜孔化学铜沉积的湿流程处理前,有几件事情需要特别注意.
  首先,在钻孔或冲孔加工后,三明治式结构的外层铜箔会有披锋/孔口毛刺存在.在进入后续流程前,这些毛刺需要被处理干净,以免造成毛刺位置的电镀镀瘤,贴膜碎膜产生和撕裂问题,或者在丝网进行图形转移时破坏丝网等.这些毛刺经常采用研磨性的聚合物毛刷的湿沙法处理.

  在湿沙法处理过程中,要特别注意对磨刷压力的控制.避免孔口处刷出铜园角化甚至暴露孔口非导电基材,影响后续沉积在此处的化学铜的结合力,以及后续明显的边缘孔破产生.

  第二,镀通孔的目的是使两外层铜层通过非导电基材孔导通化,对多层板来说,内层铜箔也是一样的需要通过这个孔导通互连.在钻孔或冲孔加工通过铜-聚合物-铜三明治式结构的过程中,特别是对多层板三明治结构的内层铜层来说,聚合物胶渣沾污内层铜环的可能性很高.这种胶渣/钻污必需除去,特别孔内内层铜环上的,以保证内层和最终孔铜之间的电气完整性.

  有时候甚至要”回蚀”少量树脂,使内层铜环在孔内有一个微小的突出,由此和孔内铜有更好的结合强度.
  除胶渣/去钻污可以通过回蚀使用的方法来完成.单独的去钻污可以通过湿法喷沙或蒸汽法;这些方法一般使用胶细的研磨剂如玻璃珠或氧化铝研磨材料.在湿浆法过程中是采用喷嘴喷浆处理孔.一些化学原料无论在回蚀和/或除胶渣工艺中用来溶解聚合物树脂.通常的(如环氧树脂系统),浓硫酸,铬酸的水溶液等都曾经被使用过.无论哪种方法,都需要很好的后处理,否则可能造成后续湿流程穿孔化学铜沉积不上等诸多问题的产生.

  浓硫酸法:

  槽液处理后要有一个非常好的水洗,最好是热水,尽量避免水洗时有强碱性溶液.可能会形成一些环氧树脂磺酸盐的钠盐残留物产生,这种化合物很难从孔内清洗除去.它的存在会形成孔内污染,可能会造成很多电镀困难.

  铬酸法:

  孔内六价铬的存在会造成孔内化学铜覆盖性的很多问题.它会通过氧化机理破坏锡钯胶体,并阻碍化学铜的还原反应.孔破是这种阻碍所造成的常见结果.这种情况可以通过二次活化解决,但是返工或二次活化成本太高,特别在自动线,二次活化工艺也不是很成熟.

  铬酸槽处理后经常会有中和步骤处理,一般采用亚硫酸氢钠将六价铬还原成3价铬.中和剂亚硫酸氢钠溶液的温度一般在100F左右,中和后的水洗温度一般在120—150F,可以有清洗干净亚硫酸盐,避免带入流程中的其他槽液,干扰活化。


其它系统:

  也有一些其它的化学方法应用于除胶渣/去钻污和回蚀工艺。在这些系统中,包括应用有机溶剂的混合物(膨松/溶胀树脂)和高锰酸钾处理,以前也用于浓硫酸处理的后处理中,现在甚至直接取代浓硫酸法/铬酸法。

  此外还有等离子体法,还处于试验应用阶段,很难用于大规模的生产,且设备投资较大。

  无电化学铜工艺

  前处理步骤的主要目的:
  1.保证化学沉铜层与非导电基材之间的结合力
  2.保证化学沉铜沉积层的连续完整性;
  3.保证化学铜与基材铜箔之间的结合力;
  4.保证化学铜与内层铜箔之间的结合力

  以上是对化学铜/无电铜前处理作用的简要说明。
  下面简述无电化学铜典型的前处理步骤:

  一.除油
  除油的目的:
  1.除去铜箔和孔内的油污和油脂;
  2。除去铜箔和孔内污物;
  3.有助于从铜箔表面除去污染和后续热处理;
  4.对钻孔产生聚合树脂钻污进行简单处理;
  5。除去不良钻孔产生吸附在孔内的毛刺铜粉;

  A.除油调整
  在一些前处理线中,这是处理复合基材(包括铜箔和非导电基材)的第一步,除油剂一般情况下是碱性,也有部分中性和酸性原料在使用。主要是在一些非典型的除油过程中;除油是前处理线中的一个关键的槽液。除油不足可能会导致一些如下的质量问题的产生:

  被污物沾染地方会因为活化剂吸附不足即而造成化学铜覆盖性的问题(亦即微空洞和无铜区的产生)。微空洞会被后续电镀铜覆盖或桥接,但是此处电铜层与基地的非导电基材之间没有任何结合力而言,最终结果可能会造成孔壁脱离和吹孔的产生。

  沉积在化学铜层上的电镀层产生的内部镀层应力和基材内被镀层包裹的水分或气体因后续受热(烘板,喷锡,焊接等)所产生的蒸汽膨胀涨力趋向于将镀层从孔壁的非导电基材上拉离,可能会造成孔壁脱离;同样孔内的毛刺披锋产生的铜粉吸附在孔内在除油过程中若是不被除去,也会被电镀铜层包覆,同样该处铜层与非导电基材之间没有任何结合力而言,这种情况最终也可能会造成孔壁脱离的结果。以上两种结果无论发生与否,但有一点无可否认,该处的结合力明显变差而且该处热应力明显升高,可能会破坏电镀层的连续性,特别是在焊接或波焊过程中,结果造成吹孔的产生。吹孔现象实际上是从结合力脆弱的镀层下的非导电基材出产生的蒸气因受热膨胀而喷出造成的!

  假若我们的无电铜沉积在基材铜箔的污物上或多层板内层铜箔圆环上的污染物上,这样无电铜和基底铜之间的结合力也会比清洗良好的铜箔之间的结合力差很多,结合不良的结果可能会产生:假若油污是点状的话,可能造成起泡现象的发生,;假若污物面积较大时,甚至可能造成无电铜产生脱离现象;

  除油过程中的重要因素:

  1.如何选择合适的除油剂-清洗/除油剂的类型
  2.除油剂的工作温度
  3.除油剂的浓度
  4.除油剂的浸渍时间
  5.除油槽内的机械搅拌;
  6.除油剂清洗效果下降的清洗点;
  7.除油后的水洗效果;

  在上述清洗操作中,温度是一个值得关注的关键的因素,许多除油剂都有一个最低的温度下限,在此温度以下清洗除油效果急剧下降!

  水洗的影响因素:
  1.水洗温度应该在60F以上;
  2.空气搅拌;
  3.最好有喷淋;
  4.整个水洗有足够的新鲜水及时更换;。

  除油槽后的水洗在某种意义上与除油本身一样重要,板面和孔壁残留的除油剂本身也会成为线路板上的污染物,继而污染后续其他的主要处理溶液如微蚀和活化。一般在该处最典型的水洗如下:
  a。水温在60F以上,
  b.空气搅拌;
  c。在槽内装备喷嘴时板件在水洗时有新鲜水冲洗板面;
  条件c不经常使用,但是ab两项是必需的;

  清洗水的水流量取决于如下因素:
  1.废液带出量(ml/挂)
  2.水洗槽内工作板负载量
  3.水洗槽的个数(逆流漂洗)


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