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PCB工艺大全:第二道—— 沉铜(☆☆☆☆☆)
2430244424 | 2013-05-21 11:30:28    阅读:3695   发布文章

 

 PCB工艺大全:第二道——

   沉铜(☆☆☆☆☆)

 

 

 

一、什么是沉铜?

沉铜的目的是使孔壁上通过化学反应而沉积一层0.3um-0.5um的铜,使孔壁具有导电性,通常也称作化学镀铜、孔化。  

                                          图为沉铜生产线

二、沉铜的重要性

   沉铜之所以电路板生产中的核心工序:因为电路是通过电流产生特定功能,而铜正是导电的不二载体,电路板任何一处沉铜失败,轻则此处功能丧失,甚则殃及整板。所以尽量选择知名pcb厂家.

 

三、沉铜原理

将PCB板浸到富含甲醛的槽缸中。络合铜离子(Cu2+-L)得到电子而被还原为金属铜;利用甲醛在强碱性环境中所具有的还原性并在Pd作用下而使Cu2+被还原。还原的铜贴附在孔壁上。

 

Pd

    Cu2++2HCHO+4H- → Cu+2HC+H2O

 

四、工艺流程

 

去毛刺→膨胀→去钻污→三级水洗→中和→二级水洗→除油调整→三级水洗→微蚀

多层板→二级水洗→预浸→活化→二级水洗→加速→二级水洗→沉铜→二级水洗→板面电镀→幼磨→铜检

 

五、工艺简介

 

1去毛刺

由于钻孔时的板面会因钻头上升和下降时产生的毛刺(披锋),若不将其除去会影响金属化孔的质量和成品的外观,所用的方法为:用含碳化硅磨料的尼龙棍刷洗,再用高压水冲洗孔壁,冲洗附在孔壁上大部分的微粒和刷下的铜屑。

 

2膨胀

因履铜板基材树脂为高分子化合物,分子间结合力很强,为了使钻污树脂被有效地除去,通过膨胀处理使其分解为小分子单体。

 

3除胶(去钻污)

使孔壁环氧树脂表面产生微观上的粗糙,以提高孔壁与化学铜之间的接合力,并可提高孔壁对活化液的吸附量,其原理是利用KMnO4在碱性环境听强氧化性将孔壁表面树脂氧化:

C(树脂)+2KMnO4→2MnO2+CO2↑+2KOH电解

(副)1. 4KMnO4+4KOH→4K2MnO4+2H2O+O2↑

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

若K2MnO4含量过高,会影响KMnO4去钻污效果,固此在槽中用电极使生成的K2MnO4再生为KMnO4。

 

4中和

经碱性KMnO4处理后的板经三级水洗后能洗去附在板面和孔内大部分的KMnO4,但对于后工序的影响也很大(KMnO4有很强的氧化性,和处理液本身为强碱性),必须用具酸性和还原的中和剂处理,在生产中通常用草酸作中和还原处理(H2C2O4)反应:

2MnO4-+H2C2O4 +16H+→Mn2++10CO2↑+8H2O

MnO2++C2O4- +4H+→Mn2++CO2↑+2H2O

有时为了对孔壁上的玻璃纤维进行蚀刻和粗化作用,在中和槽中加入NH4HF+H2SO4作为玻璃蚀刻剂。

 

5除油、调整处理

化学镀铜时,在孔壁和铜箔表面同时发生化学镀铜反应,若孔壁和铜箔表面有油污,指纹或氧化层会影响化学铜与基铜之间的结合力;同时直接影响到微蚀的效果,随之而来的是化铜与基铜的结合差,甚至沉积不上铜,所以必须进行除油处理,调整处理是为了调整孔壁基材表面因钻孔而附着的负电荷,由于此负电荷的存在,会影响对催化剂胶体钯的吸附,生产中通常用阳离子型表面活性剂作为调整剂。

 

6微蚀刻处理

微蚀刻处理也叫粗化或弱腐蚀,通过此作用在铜基体上蚀刻0.8-3um的铜,并使铜面在微观上表现为凸凹不平的粗糙面,一方面可以使基体铜吸附更多的活化钯胶体,另一主要作用是提高基铜与化学铜的结合力。微蚀按照不同的微蚀剂,常有双氧水,NPS、(NH4)2S2O8等种类,它们都是在约2-5%的H2SO4环境中与铜作用达到微蚀目的,因微蚀量微蚀量与微蚀液浓度,温度和时间及Cu2+含量有很大关系,微蚀控制:

                          Cu2+<25g/l

                         T:常温(28℃)

                         时间:1-2.5min

 

7预浸处理

若生产中的板不经过预浸处理而直接进入活化缸,活化缸会因为板面所附着的水,使活化液的PH值发生变化,活化液的有效成份发生水解,影响活化效果,预浸液的组成为活化液的一部分,所以预浸液会因活化液的不同而异。

 

8活化处理

活化的作用是在绝缘的基体上(特别是孔壁)吸附一层具有催化能力的金属,使经过活化的基体表面具有催化还原金属的能力。活化液的有效成份为Sn2+、Pd2+等胶体离子,在活化液中发生如下反应:

Pd2++2Sn2+ →[PdSn2]2+→Pd0+Sn4++Sn2+

当完成活化处理后进入水洗缸,Sn2+会和活化液中Cl和水发生:

SnCl2+H2O→SnOHCl↓+HCl

       在SnCl2沉淀的同时,连同Pd0核一起沉积在被活化的基体表面。

 

9加速处理

活化之后在基体表面上吸附的是以金属钯为核心的胶团,在胶团的周围包围着碱式锡酸盐,而真正起催化作用的钯并没有充分露出,所以在化学沉铜前除去一部分包在钯核周围的锡化合物使钯核露出,以增强钯的活性,也增加了基体化铜的结合力,加速液浓度太高,处理时间过长会使基体表面的钯脱落,造成孔无铜等问题,所以加速处理应作适当控制。

 

10化学沉铜

经过以上处理的印制板进入沉铜液,沉铜液中Cu2+与还原剂在催化剂金属钯的作用下发生氧化还原反应,在基体表面沉积一层0.3-0.5um的薄铜,使本身绝缘的孔壁产生导电性,使后续的板面电镀和图形电镀得以顺利进行。

 

(1化学沉铜液的成份:

铜盐:CusO4•5H2O    5-15g/l

还原剂:HCHO       2.5-5g/l

PH调节剂:NaOH     7-10g/l

络合剂:适量

 

(2反应机理

络合的铜离子(Cu2+-L)在碱性环境中得到电子被还原为Cu

Cu2+-L+2e→Cu+L……①

 化学沉铜与电镀在本质上的差别是化学沉铜的电子由还原剂甲醛提供,而电镀铜时则由电源提供,甲醛释放电子:

 2H—C—H+4OH-→2H—C—O-+2H2↑+2e……②

由①②反应得到化学沉铜反应机理:

Cu2++2HCHO+4OH- → Cu+2HCOO-+2H2O+H2↑

 

(3化学沉铜液条件

①化学沉铜液为强碱性,甲醛的还原能力取决于沉铜液的碱性强弱,即NaOH的含量。

②化学沉铜液中由于有Cu2+与OH-的共存,为了防止Cu(OH)2沉淀的形成,络合剂必不可少,为Cu2+浓度的1-1.5倍即可。

③保证沉铜液中有足够且适量的还原剂。

④只有在催化剂(Pd、Cu)的存在下才能沉积出Cu。

 

(4化学沉铜液中其它反应

在加有甲醛的沉铜液中,无论使用与否会存在以下反应:

①  OH-

   2Cu2++H—C—H+5OH-→Cu2O+H—C—O-+2H2O

Cu2O+H2O     2Cu2++2OH

生成的Cu2+歧化反应:2Cu+→Cu+Cu2+

   所以必须连续用5um的过滤器过滤沉铜液防止Cu颗粒存在于沉铜液中。

 

② 康尼查罗反应

2HCHO+NaOH→HCOONa+CH3OH

所以,在放置不用(即保养后)的沉铜液在重新启用时,必须调节NaOH,补加HCHO,为了防止甲醛浓度过低时形成大量Cu2O。

 

(5化学沉铜反应步骤

① 经活化后的基体浸入化学沉铜液中时,在活化剂表面上开始大量吸附甲醛自身水解而生成的甲叉二醇,并由于活化剂的作用,使甲叉二醇具有负电性。

② 带正电的四水合铜离子在带负电性的甲叉二醇的吸引下迁移到活化剂表面,并积累形成双电子层。

③ 水合铜离子在活化剂表面脱水,甲叉二醇发生羟基断裂:

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

 

④新沉积的铜将活化剂掩盖,其本身成为活化中心,不断地吸附甲叉二醇生成新的沉积铜层。

 

(6化学沉铜液稳定性

① 因化学沉铜是在空气搅拌条件下进行的,为了保证稳定性必须加入含有S和N的有机物,另外有些稳定剂可以有选择性也络合Cu+、使Cu2+氧化电位降低,易被O2氧化,释放出合剂。

② 严格控制溶液温度

③ 连续过滤化学沉铜液,除去Cu颗粒。

④ 加入高分子化合物,掩蔽新生成颗粒铜。

 

11、板面电镀

板面电镀作用是在化学铜基础上通过电镀的方法将整个铜面和孔内薄铜加厚7-10um,以利于后续工序,板面电镀与图形电镀在原理上和工艺上相同的不作详细介绍:

已沉铜板 → 浸酸(除去表面氧化物)→电镀→水洗→下板→幼磨 →下工序

注意事项:

         PCB加工,本身工序复杂,每道一级工序又由若干二级工序组成,所以人工制板的质量和量化都不及自动生产线制板。所以找加工厂商的时候,有必要询问这方面因素。

 

 

 

 

 

 

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