【多层板孔金属化工艺探讨】

本文主要论述了多层板的去钻污和沉铜工艺,剖析了各工步的原理及作用。

一、前言

 众所周知,孔金属化是多层板生产过程中最关键的环节,她关系到多层板内在质量的好坏。孔金属化过程又分为去钻污和化学沉铜两个过程。化学沉铜是对内外层电路互连的过程;去钻污的作用是去除高速钻孔过程中因高温而产生的环氧树脂钻污(特别在铜环上的钻污),保证化学沉铜后电路连接的高度可靠性。

二、孔金属化

 多层板工艺分凹蚀工艺和非凹蚀工艺。凹蚀工艺同时要去除环氧树脂和玻璃纤维,形成可靠的三维结合;非凹蚀工艺仅仅去除钻孔过程中脱落和汽化的环氧钻污,得到干净的孔壁,形成二维结合,单从理论上讲,三维结合要比二维结合可靠性高,但通过提高化学沉铜层的致密性和延展性,完全可以达到相应的技术要求。非凹蚀工艺简单、可靠,并已十分成熟,因此在大多数厂家得到广泛应用。高锰酸钾去钻污是典型的非凹蚀工艺。

工艺流程:

环氧溶胀→二级逆流漂洗→高锰酸钾去钻污→二级逆流漂洗→中和还原→二级逆流漂洗→调整→二级逆流漂洗→粗化→二级逆流漂洗→预浸→离子钯活化→二级逆流漂洗→还原→水洗→化学沉铜→二级逆流漂洗→预浸酸→预镀铜

工艺原理及控制

溶胀:

目的:溶胀环氧树脂,使其软化,为高锰酸钾去钻污作准备。

配方:NaOH 20g/l、已二醇乙醚 30g/l、已二醇 2g/、水  其余、温度 60-80℃、时间 5min

环氧树脂是高聚形化合物,具有优良的耐蚀性。其腐蚀形式主要有溶解、溶胀和化学裂解(如:浓硫酸对环氧树脂主要是溶解作用,其凹蚀作用是十分明显的)。根据“相似相溶”的经验规律,醚类有机物一般极性较弱,且有与环氧树脂有相似的分子结构(R-O-R'),所以对环氧树脂有一定的溶解性。因为醚能与水发生氢键缔合,所以在水中有一定的溶解性。因此,常用水溶性的醚类有机物作为去钻污的溶胀剂。溶胀液中的氢氧化钠含量不能太高,否则,会破坏氢键缔合,使有机链相分离。在生产中,常用此中方法来分析溶胀剂的含量。

去钻污

目的:利用高锰酸钾的强氧化性,使溶胀软化的环氧树脂钻污氧化裂解。

配方:NaOH 35g/l、KMnO4  55g/l、NaCIO  0.5g/l、温度 75℃、时间 10min

 高锰酸钾是一种强氧化剂,在强酸性溶液中,与还原剂作用,被还原为Mn2+;在中性和弱碱性环境中,被还原为MnO2;在NaOH浓度大于2moL/L,被还原为MnO42-。高锰酸钾在强酸性的环境中具有更强的氧化性,但在在碱性条件下氧化有机物的反应速度比在酸性条件下更快。在高温碱性条件下,高锰酸钾使环氧树脂碳链氧化裂解:

4MnO4-+C环氧树脂+40H- = 4MnO42-+CO2(g)+2H2O  

同时,高锰酸钾发生以下副反应:

4MnO4- +40H- = 4MnO42- + O2(g) + 2H2O

MnO42-在碱性介质中也发生以下副反应:

MnO42- + 2H2O + 2e- = MnO2(s) + 40H- 

NACIO作为高锰酸钾的再生剂,主要是利用其强氧化性使MnO42-氧化为MnO4-

 还原:

目的:去除高锰酸钾去钻污残留的高锰酸钾、锰酸钾和二氧化锰

配方:H2SO4 100mL/l、NaC2O4  30g/l、温度  40℃、

 锰离子是重金属离子,它的存在会引起“钯中毒”,使钯离子或原子失去活化活性,从而导致孔金属化的失败。因此,化学沉铜前必须去除锰的存在。

 在酸性介质中:

3MnO42-+4H+ = 2MnO4-+MnO2(s)+2H2O 

2MnO4-+5C2O42-+16H+ = 2Mn2++10CO2(g)+8H2O5 

C2O42-+MnO2+4H+ = Mn2++2CO2+2H2O

由以上反应可知,通过还原步骤,可完全去除高锰酸钾去钻污残留的高锰酸钾、锰酸钾和二氧化锰。有关资料中,也有用肼类化合物及其他一些强还原性物质进行还原处理的,这主要是从塑料电镀中处理残留的 Cr6+ 沿用过来的,也具有一定的效果,但对二氧化锰的作用,有待探讨,这就需要尽量避免二氧化锰的生成。

调整:

目的:调整孔壁电荷

配方:阴离子型表面活性剂 0.5g/l

为使环氧树脂表面在后序处理中吸附到均匀的钯离子,必须把印制板津入到含有阴离子表面活性剂中,使其表面吸附到一层均匀负性的有机薄膜。

 粗化:

目的:除去铜表面的有机薄膜;微观粗化铜表面。

 配方:H2SO4 100mL/l、H2O2  80ML/l、NH2CH2NH2 10g/l

 调整处理时,在环氧树脂吸附有机表面活性剂的同时,铜表面也形成了一层有机薄膜。如果不加以处理,这层薄膜将使铜表面在活化溶液中吸附大量的钯离子,造成钯离子的大量浪费,同时,由于薄膜的存在,将降低基体铜层与化学镀铜层的结合力。经粗化处理后,基体铜层形成微观粗糙表面,增加结合力。

 预浸:

目的:预防带入杂质;润湿环氧树脂孔壁。

 配方:H2SO4 1mL/l有机碱络合剂   20mL/l

 由于活化液的使用周期较长,且活性受杂质影响明显,所以在活化前必须进行预浸处理,防止杂质积累,影响其活性。在预浸液中,络合剂和活化液中的络合剂相同,但由于预浸液呈酸性,络合剂以盐的形式存在,其并没有络合能力,仅是浸润孔壁,为络合钯离子作准备。

 活化:

 目的:为形成化学沉铜所需的活化中心做准备。

 配方:PbCL2 0.3g/l、络合剂X  5g/l、NaOH  5g/l、HBO3  5g/l、去离子水  余量

 在活化溶液中,络合剂的选择和PH的控制十分重要。首先,铜比钯有更强的金属活性,PbCl2的标准氧化还原电位是-0.268V(PbCl2+2e-=Pb+2Cl-),Cu2+的标准氧化还原电位是0.337V(Cu2++2e-=Cu),铜和钯离子是很容易发生置换反应的:Cu+PbCl2=CuCl2+Pb

 因此,作为离子型活化液,要防止PCB上的铜箔和钯离子发生反应,必须加入能与钯离子形成稳定络合物的络合剂。根据软硬酸碱理论(硬亲硬,软亲软),属于交界酸的PB2+与交界碱X能形成稳定的络合物,可提高钯的氧化还原电位,避免发生置换反应。另外,PH值对钯离子的活性影响很大,当PH<10时,络合剂X以离子形式存在,不与钯离子发生络合反应,溶液中易产生Pb(OH)2沉淀,溶液活性降低;当PH值过高时水洗时,PH值不能迅速有效降低,影响Pb2+在孔壁上的沉积。为使活化液能稳定在PH10.5左右,可选用NaOh+HbO3PH缓冲液。

 还原:

目的:使PB2转化为Pb

配方:CH3BH4 0.5g/l、HBO3          5g/l

PB2必须转化为Pb单质才具有催化活性,引发沉铜反应的产生。CH3BH4易分解(CH3BH4HBO3),加入适量的硼酸能有效阻止分解反应的发生。

化学沉铜:

目的:使各层间电路互连,实现其电器性能。

配方:络合剂  适量、Cu2+ 3g/l、NaOH 10g/l、HCHO  6g/l、稳定剂  少量

通常,络合剂采用EDTAEDTP或双络合剂(两者混用)。

目前,多层板生产工艺已十分成熟。在多层板生产工艺发展的过程中,专业性的化学药水供应商起到了十分重要的作用。他们利用其自身过硬的专业知识完善了各种工艺配方,为印制板生产企业提供了强大的技术保障。印制板生产企业(特别规模生产企业)为保证质量的稳定性,基本上都采用由化学药水供应商提供的浓缩药液,自己仅在生产中进行工艺性维护。这种生产与开发分离的模式在一定程度方便了印制板生产企业,但由于化学药水供应商对其配方的严格保密,相应引起了在解决印制板生产过程中问题的死板性,仅仅依据药水供应商提供的套路去解决问题。我们不能否认该模式在解决一般性问题的有效性,但在解决关键、特殊性问题时,该模式就显得有些力不从心了。解决一切问题都应该从根源出发,认识了事物的本质,解决问题才会得心应手、针对性强。

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