PCB沉铜制作流程
发布日期:2015-08-07

沉铜制作流程

一、 沉铜目的
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。
二、 沉铜原理
络合铜离子(Cu2+-L)得到电子而被还原为金属铜;通常是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。

文本框: 0=

Pd
    Cu2++2HCHO+40H- → Cu+2HC-O-

三、 

Cu
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
四、        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、(NH42S2O8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+ →[PdSn22+→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
文本框: 0=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:
文本框: 0=2H—C—H+4OH-→2H—C—O-+2H2↑+2e……②
由①②反应得到化学沉铜反应机理:

 

Pd
 
Cu
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:

 
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 文本框: 0=

H
水合铜离子在活化剂表面脱水,甲叉二醇发生羟基断裂:

 

 H
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

 

18-25min
上板
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:

 

经检验合格板
已沉铜板 → 浸酸(除去表面氧化物)→电镀→水洗→下板→幼磨 →下工序
五、沉铜工序中常见问题及解决方法
① 起泡或掉皮通常是因为板电铜(即一铜)与基铜或化学铜与基铜结合力差造成其原因有:
a. 化学沉铜线上除油不尽,基铜表面有手指印。
b. 微蚀不足。
c. 化学沉铜后表面氧化的未被板镀除尽所导致。
解决方法;控制好相关的槽液在工艺范围内,并按产量或分析结果作相应调整。
② 孔内粗糙
原因:
a. 除胶强度不够,膨胀不足。
b. 某些水缸或药液缸中有脏物。
c. 钻孔质量不好,e板本身原因。
d. 沉铜液中生成的铜颗粒附在孔壁。
解决方法:
a. 分析除胶和膨胀缸药液,并作相应调整。
b. 通过试验找出产生原因的缸,并用5%H2SO4浸泡2h,对药液缸倒缸清洗,充分过滤药液。
c. 选用合格钻头,用合适的参数进行作业,并在沉铜前作好清洁孔内工作。
d. 在生产中详细跟踪,检查过滤系洗口:加强来料检验。
③ 板面粗糙
a. 缸中有脏物
b. 沉铜液中颗粒附在板面
c. 板镀电镀液中脏物
解决方法:同于孔粗,作好生产线清洁保养。
④ 板面沙粒
原因:药液缸中有脏物附着
解决方法:同上
⑤ 孔无铜
原因:a、活化不足
      b、沉铜缸失调
      c、加速过度
解决方法:
a、分析活化液,并作相应调整。
b、调整沉铜液在工艺范围内,有必要则重新开缸。
c、降低加速处理条件,如浓度、时间和温度。   
⑥ 水渍
水渍产生的主要原因可能是微蚀过度,或微蚀质量差,处理方法:选择合适的微蚀剂,并控制好微蚀量和质量,其他原因在查找之中。
   9.在板面电镀中的缺陷及解决方法和图形电镀相同,这里不作叙述。
        返工板
     孔无铜,露纤维板作返沉处理。
     孔红、孔黑板作返镀处理。
     板面起泡板,局部轻微起泡,用刀片刮净,擦砂纸行板,严重板微蚀3-5min,粗磨再返沉。
     停电或机械故障时活化后氧化严重板需粗磨后返沉。
10. 特殊工艺生产板
① 客供CEM-3松下料板沉铜时不过膨胀处理。
② φ0.35mm以下板沉两次铜,沉第二次时直接从预浸缸下板,有此沉两次程序。
③单面板孔内需沉铜板,沉铜后用布碎擦去树脂面沉积铜层,再单面电流电镀。
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