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PCB化學(xué)鍍銅工藝流程解讀(二)

2020-05-19 16:10:01

三、化學(xué)鍍銅
  1 化學(xué)鍍銅液
  目前應(yīng)用比較廣泛的配方是下表所列舉的幾種使用不同絡(luò)合劑分類(lèi)的化學(xué)鍍銅液,表中配方1為灑石酸鉀鈉絡(luò)合劑,其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)鍍銅液的操作溫度低,使用方便,但穩(wěn)定性差,鍍銅層脆性大,鍍銅時(shí)間要控制適當(dāng),不然由于脆性的鍍銅層太厚會(huì)影響鍍層與基材的結(jié)合強(qiáng)度。配方2EDTA·2Na絡(luò)合劑,其使用溫度高,沉積速率較高,鍍液的穩(wěn)定性較好,但成本較高。配方3為雙絡(luò)合劑,介于兩者之間。
  

常用的化學(xué)鍍銅溶液及操作條件

組     份

配        方

1

2

3

硫酸銅(g/L)

14

10

8~24

酒石酸鉀鈉(g/L)

40

7~21

EDTA二鈉鹽(g/L)

40

12.5~27

氫氧化鈉(g/L)

20

12

7.5~22.5

硫脲(g/L)

0.5

/

/

亞鐵氰化鉀(g/L)

/

0.1

0.1~0.3

aa-聯(lián)吡啶(g/L)

/

0.01

0.02~0.05

甲醛(ml/L)

10~15

10

10~15

工作溫度(℃)

21~25

50~60

35~40

沉積速率(μm/h)

0.5

4~5

1~2

PH值;操作條件

12~13;空氣攪拌連續(xù)過(guò)濾

12~12.5;空氣攪拌連續(xù)過(guò)濾

12~13;空氣攪拌連續(xù)過(guò)濾

工作負(fù)荷(dm2/L)

≤1

≤1

≤2


  2 化學(xué)鍍銅溶液的穩(wěn)定性
 ?。?/span>1)化學(xué)鍍銅溶液不穩(wěn)定的原因
  在催化劑存在的條件下,化學(xué)鍍銅的主要反應(yīng)如下:

1589876424100335.png

  在化學(xué)鍍銅溶液中除上式的主反應(yīng)以外,還存在以下幾個(gè)副反應(yīng)。

  a 甲醛的歧化反應(yīng)-在濃堿條件下,甲醛一部分被氧化成為甲酸,另一部分被還原成甲醇,反應(yīng)式為  

1589876648761930.png

  甲醛的歧視化反應(yīng)除造成甲醛過(guò)量的消耗外,還會(huì)使鍍液過(guò)早的"老化",使鍍液不穩(wěn)定。

  b 在堿性鍍銅溶液中,甲醛還原一部分Cu2+Cu+,其反應(yīng)式為
  1589876701147080.png

  反應(yīng)式(5-3)所生成的Cu2O在堿性溶液中是微溶的:

  Cu2O+ H2O ===2Cu++2 OH-- (5-4)
  反應(yīng)(5-4) 中出現(xiàn)的銅Cu+非常容易發(fā)生歧化反應(yīng)
  2Cu+=== Cu0↓+ Cu2+ 5-5
  反應(yīng)式(55)所生成的銅是極細(xì)小的微粒,它們無(wú)規(guī)則地分散在化學(xué)鍍銅液中,這些銅微粒具有催化性,如果對(duì)這些銅微粒不進(jìn)行控制,則迅速地導(dǎo)致整個(gè)鍍液分解,這是造成化學(xué)鍍銅液不穩(wěn)定的主要原因。
 ?。?/span>2)提高化學(xué)鍍銅溶液穩(wěn)定性的措施
  a 加穩(wěn)定劑所加入的穩(wěn)定劑對(duì)Cu+有極強(qiáng)的絡(luò)合能力,對(duì)溶液中的Cu2+離子絡(luò)合能力較差,這種溶液中的Cu+離子不能產(chǎn)生歧化反應(yīng),因而能起到穩(wěn)定化學(xué)鍍銅液的作用。所加入的穩(wěn)定劑一般是含硫或N的化合物。例如:a,a′聯(lián)吡啶、亞鐵氰化鉀,2,9二甲基鄰菲羅林、硫脲、2-巰基苯駢噻唑等。
  b 氣攪拌化學(xué)鍍銅過(guò)程中,用空氣攪拌溶液,在一定程度上可抑制Cu2O的產(chǎn)生,從而起到穩(wěn)定溶液的作用。
  c 連續(xù)過(guò)濾用粒度5μm的濾芯連續(xù)過(guò)濾化學(xué)鍍銅液,可以隨時(shí)濾除鍍液中出現(xiàn)的活性顆粒物質(zhì)。
  d 加入高分子化合物掩蔽銅顆粒很多含有羥基、醚基高分子化合物能吸附在銅的表面上。這樣,由于Cu2O的歧化反應(yīng)而生成的銅顆粒,在其表面上吸附了這些高分子化合物之后就會(huì)失去催化性能,不再起分解溶液的作用。最常用的高分子化合物有聚乙二醇、聚乙二醇硫醚等。
  e 控制工作負(fù)荷對(duì)于不同的化學(xué)鍍銅液具有不同的工作負(fù)荷,如果"超載"就會(huì)加速化學(xué)鍍銅液的分解。對(duì)于表4所舉的化學(xué)鍍銅液工作負(fù)荷在連續(xù)工作時(shí)一般不能大于1dm2/L。
  3 化學(xué)鍍銅層的韌性
  為了保證PCB金屬化孔連接的可靠性,化學(xué)鍍銅層必須具有足夠的韌性?;瘜W(xué)鍍銅層韌性差的主要原因是由于甲醛還原Cu2時(shí),放出氫氣引起的。雖然氫氣不能和銅共沉積,但在鍍銅反應(yīng)中,這些氫氣會(huì)吸附在銅的表面上,聚集成氣泡夾雜在鍍銅層中,使鍍銅層產(chǎn)生大量的氣泡空洞,這些空洞會(huì)使化學(xué)鍍銅層的電阻變高,韌性變差。
  提高化學(xué)鍍銅層韌性的主要措施是在鍍液中加入阻氫劑,防止氫氣在銅層表面聚積。下表列舉了aa′聯(lián)吡啶與其它的添加劑聯(lián)合使用時(shí)對(duì)以EDTA為絡(luò)合劑的化學(xué)鍍銅液的鍍銅層韌性影響,鍍銅溫度為70℃,a,a′聯(lián)吡啶的加入量為100mg/L。
  

5某些添加劑對(duì)鍍層韌性的影響

添加劑名稱(chēng)

用量(mg/L)

沉積速度μm/h

彎折次數(shù)

2-巰基苯駢噻唑

10

10

0

a,a′硫代乙二醇

10

8~10

6~12

亞鐵氰化鉀

10

6~8

9~13

硫氰化鉀

10

6~8

9~13


  4 化學(xué)鍍液的沉積速率
  影響化學(xué)鍍銅液沉積速率的因素主要有以下幾點(diǎn):
 ?。?/span>1)溶液的的pH
  甲醛還原銅的反應(yīng)能否順利進(jìn)行,主要取決于鍍液的pH值,在一定pH值范圍內(nèi),隨著溶液pH值增加,銅的沉積速度率加快,但pH值也不能太高,否則副反應(yīng)加劇,造成鍍液不穩(wěn)定。一般情況下pH值的控制范圍為12~13
 ?。?/span>2)銅離子濃度
  化學(xué)鍍銅液的沉積速率,隨著鍍液中Cu2+離子的濃度增加而加快,在低濃度范圍內(nèi)幾乎是按正比例增加,但當(dāng)銅離子濃度增加到一濃度時(shí),沉積速率增加變慢。雖然高濃度的Cu2+離子鍍液可以得到較快的沉積速率,但是銅離子濃度太高,副反應(yīng)加劇,造成鍍液不穩(wěn)定。
  (3)絡(luò)合劑
  鍍液中絡(luò)合劑的過(guò)量程度對(duì)鍍液的沉積速率影響較小。但是絡(luò)合劑的類(lèi)型對(duì)沉積速率有很大影響,表6列出了不同類(lèi)型的絡(luò)合劑對(duì)化學(xué)鍍銅液的混合電位和沉積電流的影響。
  

6不同類(lèi)型的絡(luò)合劑對(duì)沉積電流和混合電位的影響

Cu2+配位體

混合電位(mV)

沉積電流(A/cm2

酒石酸鉀鈉

610

0.75×103

EDTA2Na

650

1.00×103

NN′N(xiāo)N′-四-羥丙基乙胺

四乙酸(Quadrol)

680

3.6×103

苯基乙二胺四乙酸

(CETA)

685

5.4×103


 ?。?/span>4)甲醛
  鍍液中甲醛35%(體積)的含量在8ml/L以下時(shí),其還原電位隨甲醛的濃度增加而明顯增大,高于8ml/L時(shí),甲醛的還原電位增加緩慢。在實(shí)際應(yīng)用中,甲醛的濃度范圍為10~15ml/L。在此濃度范圍內(nèi)的甲醛含量變化對(duì)銅的沉積速率影響不大。
 ?。?/span>5)添加劑
  為了改善銅層的特性和鍍液的穩(wěn)定性,可在化學(xué)鍍銅液中加入一定量的添加劑。加入添加劑后,在多數(shù)情況下是使化學(xué)鍍銅液的沉積速率變低。添加劑的含量不能過(guò)高,加入過(guò)量的添加劑往往會(huì)使鍍銅反應(yīng)停止。
 ?。?/span>6)溫度
  提高鍍液溫度鍍銅速率增加,但隨著鍍液溫度上升,副反應(yīng)增加,使鍍液不穩(wěn)定。因此,對(duì)不同的化學(xué)鍍銅液,工作溫度都有一個(gè)極限值,超過(guò)工作溫度極限時(shí),鍍液的穩(wěn)定性明顯變差,造成鍍液迅速分解。
  5 化學(xué)鍍銅溶液的自動(dòng)分析和自動(dòng)補(bǔ)加
  化學(xué)鍍銅過(guò)程中,鍍液的組分由于化學(xué)反應(yīng)的消耗,在不斷地變化,如果不及時(shí)補(bǔ)充消耗掉的部分,將會(huì)影響化學(xué)鍍銅層的質(zhì)量,而且,由于成分比例失調(diào),會(huì)造成鍍液迅速分解。采用自動(dòng)分析和自動(dòng)補(bǔ)加的方法,控制化學(xué)鍍銅液的成分,可使鍍液始終處于最佳工作狀態(tài)?,F(xiàn)在國(guó)內(nèi)就有專(zhuān)門(mén)的自動(dòng)分析補(bǔ)加裝置出售。這些裝置能自動(dòng)分析和補(bǔ)加化學(xué)鍍銅反應(yīng)過(guò)程中所消耗的銅離子、氫氧化鈉、甲醛等。采用自動(dòng)分析能明顯提高化學(xué)鍍銅質(zhì)量,提高溶液穩(wěn)定性,節(jié)約化工原料,減少污水排放和提高生產(chǎn)效率。
  6 常見(jiàn)疵病及解決方法
 ?。?/span>1)化學(xué)鍍銅層與銅箔的結(jié)合力差
    a 銅箔表面粗化處理不夠;
    b 粗化后基體表面清洗不良;
    c 化學(xué)鍍銅層太脆。
 ?。?/span>2)金屬化孔壁的鍍銅層有針孔
    a 鉆孔質(zhì)量太差,由于鉆頭不鋒利,在鉆孔過(guò)程中有大量的覆箔板切屑?xì)埩粼诳妆谏匣驓埓嫣幚硪褐校潦乖谶@些部位不沉積銅;
    b 活化處理不良,活化液活性不夠,溫度太低,孔內(nèi)不清潔等;
    c 化學(xué)鍍銅的pH過(guò)低;
    d 空氣攪拌不足,未驅(qū)除銅還原時(shí)吸附的氫氣。
 ?。?/span>3)化學(xué)鍍層外觀發(fā)黑
    a 化學(xué)鍍銅液配方組分配比不合理;
    b 工藝操作條件控制不嚴(yán)格;
    c 鍍液負(fù)載過(guò)大。

 

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