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摘要：化學(xué)鍍厚銅不需要電鍍設(shè)備和昂貴的陽極材料，沉銅后經(jīng)防氧化處理即可進(jìn)入圖形,轉(zhuǎn)移工序，然后直接進(jìn)行圖形電鍍，縮短了生產(chǎn)流程，有著非常廣泛的應(yīng)用。但由于化學(xué)鍍厚銅沉積時間長，鍍層較厚，在生產(chǎn)中如果參數(shù)控制不到位，容易出現(xiàn)鍍層起皮和結(jié)合力差等問題。文中對某廠在化學(xué)鍍厚銅過程中出現(xiàn)的一次孔口起皮故障進(jìn)行了原因分析和跟蹤，提出了預(yù)防出現(xiàn)類似問題的方法。
關(guān)鍵詞化學(xué)鍍厚銅;孔口起皮
中圖分類號：TN41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-0096(2011)10-0034-03
化學(xué)鍍銅是指在沒有外加電流的條件下，處于同一溶液中的銅離子和還原劑在具有催化活性的基體表面上進(jìn)行自催化氧化-還原反應(yīng)，沉積銅鍍層的一種表面處理技術(shù);在大多數(shù)英文文獻(xiàn)中又被譯為不通電電鍍或無電解鍍銅(Electroless Copper Plating)[1]。化學(xué)鍍銅可鍍基材范圍非常廣泛，通過敏化、活化等預(yù)處理，可在非金屬及半導(dǎo)體材料表面進(jìn)行，是非導(dǎo)體材料表面金屬化和制備電鍍前的導(dǎo)電底層的常用方法。化學(xué)鍍銅液的分散能力接近100%、鍍層厚度均勻、無明顯的邊緣效應(yīng)，特別是復(fù)雜形狀的基體，在尖角、凹槽部位沒有額外的沉積或沉積不足，在深孔、盲孔、腔體件的內(nèi)表面也能得到和外表面同樣厚度的鍍層。此外，化學(xué)鍍銅不需要電源、輸電系統(tǒng)及昂貴的陽極材料等，工藝設(shè)備非常簡單，成本低廉。通過添加合適添加劑，化學(xué)鍍銅可以得到具有良好的化學(xué)、機(jī)械和電磁性能的鍍層，滿足各種需要。從1947年，Narcus首先報道了化學(xué)鍍銅溶液以來，化學(xué)鍍銅在裝飾性表面保護(hù)、電路互連、電子元器件封裝、電磁屏蔽、汽車工業(yè)和航天航空工業(yè)等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，如衛(wèi)星通訊天線、超輕波紋波導(dǎo)、雷達(dá)反射器、同軸電纜射頻屏蔽、天線罩、底板屏蔽等的制造[2];但是，化學(xué)鍍銅目前在工業(yè)上最重要的應(yīng)用是印制電路板(PrintedCircuit Board，PCB)的通孔金屬化，即在PCB的絕緣孔壁內(nèi)沉積一層銅，從而使電路導(dǎo)通，將整塊PCB連為一個整體[3]。
按照鍍層厚度的不同，可以化學(xué)鍍銅分為薄銅和厚銅體系。在亞洲多數(shù)地區(qū)，化學(xué)鍍銅的厚度控制在0.3μm~0.5μm，然后全板電鍍將鍍層加厚至5μm~8μm，進(jìn)入圖形轉(zhuǎn)移工序。由于電鍍電流分布不均勻會使得全板厚度不均勻，周邊比中間部分厚30%~70%。在生產(chǎn)精細(xì)線路板(0.075 mm~0.1 mm)時，整板蝕刻干凈后卻發(fā)現(xiàn)中間部分的線路已過蝕，因而報廢;反之，中間線路蝕刻好了，但板的周邊卻仍未蝕刻干凈。另外，在高級細(xì)孔多層板(孔徑0.3 mm~0.4 mm)制作過程中，對化學(xué)鍍銅的均勻全覆蓋要求極嚴(yán)，如果采用先沉薄銅再電鍍加厚，往往由于孔壁銅層沉銅不夠厚而易形成空洞，造成孔壁鍍層的不均勻而無法達(dá)到嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。基于以上技術(shù)問題，近年來不少電路板廠改用化學(xué)鍍厚銅的技術(shù)。化學(xué)鍍厚銅的鍍層厚度一般在1.8μm~2.5μm，也有的廠家為了節(jié)省成本，銅厚度控制在1.4μm~1.6μm，后者往往也叫中銅。在完成化學(xué)鍍厚銅后，電路板經(jīng)防氧化處理即可進(jìn)入圖形轉(zhuǎn)移工序，然后直接進(jìn)行圖形電鍍[4]，縮短了生產(chǎn)流程，有著非常廣泛的應(yīng)用。
但由于化學(xué)鍍鍍厚銅沉積時間較長，鍍層較厚，在生產(chǎn)中如果參數(shù)控制不到位，容易出現(xiàn)鍍層起皮和結(jié)合力差等問題。文中對某廠在化學(xué)鍍厚銅過程中出現(xiàn)的一次孔口起皮故障進(jìn)行了原因分析和跟進(jìn)，較好地解決了問題，并提出了預(yù)防出現(xiàn)類似問題的方法。
1·故障描述
在江蘇某廠進(jìn)行化學(xué)沉厚銅線的新開線工作，在按照操作指導(dǎo)書的要求配制好各工序藥水并調(diào)整各操作參數(shù)在要求范圍內(nèi)后，進(jìn)行試生產(chǎn)。在第一掛板子沉銅之后，馬上進(jìn)行清洗和烘干，雖然經(jīng)過測量，所沉積銅鍍層的厚度在要求的范圍內(nèi)(3.2μm)，但是在孔口部位，出現(xiàn)較為明顯的起泡現(xiàn)象，鍍層和基體結(jié)合力很差，后續(xù)的幾掛板子也出現(xiàn)了同樣的故障。在排除了偶然因素后，立即將生產(chǎn)線停了下來，馬上對各工序可能引起故障的因素進(jìn)行了排查，以期盡快找出造成孔口鍍層起皮的原因。
該廠使用的是中南電子化學(xué)材料所CS-9-A3化學(xué)沉厚銅體系藥水，簡要工藝流程為：堿性去油/調(diào)整→微蝕→預(yù)浸→膠體鈀活化→堿性解膠→化學(xué)厚銅。各工序所用藥水及操作參數(shù)如表1所示。
2·原因分析及工藝調(diào)整
結(jié)合孔金屬化(Plated Through Hole，PTH)工序維護(hù)的經(jīng)驗，對于可能引起鍍層孔口起皮的工序和操作進(jìn)行了分析和調(diào)整。可能的原因主要有如下兩大類：
(1)板面有異物而引起起皮。可能引起此類故障的因素包括：去油清洗力弱、去油后水洗不足、板面微蝕不夠、解膠不足等;這些原因均可能使得板面沾染的污物或膠體鈀水解產(chǎn)物無法在進(jìn)入沉銅槽前被充分除掉，從而使得化學(xué)沉銅后鍍層在異物處產(chǎn)生起皮、粗糙。
(2)化學(xué)沉銅速率過快，導(dǎo)致鍍層粗糙、與板面結(jié)合力差，從而引起起皮。可能引起此類故障的因素包括：活化液溫度過高、活化液濃度過大、沉銅液溫度過高、負(fù)載太大以及沉銅液中的硫酸銅、氫氧化鈉和甲醛的含量過高。此類因素均會使得化學(xué)沉銅反應(yīng)速率過快，產(chǎn)生疏散、粗糙的鍍層，甚至可能造成板面銅粒而使得印制板報廢[5]。結(jié)合上述分析，孔口起皮故障原因分析的魚骨圖如圖1所示。
結(jié)合魚骨圖，針對上述兩大類原因，對于整個PTH工序開始了徹底的篩查。
(1)考慮到化學(xué)沉銅沉積速率過快、鍍層粗糙及與基體結(jié)合力差是最可能引起孔口起皮的原因，對沉銅槽進(jìn)行了如下調(diào)整：①將化學(xué)沉銅槽溫度由45℃降低到40℃，仍普遍存在孔口起皮現(xiàn)象，效果改善不明顯;②將化學(xué)沉銅槽中的銅離子、氫氧化鈉和甲醛等主鹽的含量分別從3 g/L、9 g/L、和7 g/L，降低到2.8 g/L、8 g/L和6 g/L，效果改善也不明顯。這說明，化學(xué)沉銅工序不是引起此次孔口起皮故障的主要原因。
(2)清洗/調(diào)整槽清洗能力不足，或者之后的水洗不充分，也會導(dǎo)致板面沾染污物或有機(jī)物，從而引起化學(xué)沉銅后板面起皮。①將去油后的水洗改為熱水洗，并將水洗時間延長一倍，效果改善不明顯;②將堿性清洗/調(diào)整劑換為酸性調(diào)整劑，效果改善不明顯。
(3)將現(xiàn)用的堿性解膠液換為酸性解膠，加強(qiáng)解膠效果，經(jīng)此改變之后，化學(xué)沉銅后的板子均未再出現(xiàn)孔口起皮現(xiàn)象，再繼續(xù)跟蹤，也一直未再出現(xiàn)此類故障。
采取的具體措施及參數(shù)調(diào)整，如表2所示。
從表2中可以看出，解膠工序是引起此次化學(xué)沉銅孔口起皮故障的關(guān)鍵原因。這是因為，膠體鈀由鈀核和外部的錫膠團(tuán)構(gòu)成的，解膠工序就是讓錫膠體與酸或堿反應(yīng)而生成溶于水的錫鹽，從而除去在活化后的水洗過程中所生成的四價錫膠體，露出具有催化活性的鈀核。如果解膠不徹底，板面就會殘留四價錫膠體，從而影響到化學(xué)沉銅鍍層與基體的結(jié)合力及粗糙度;而化學(xué)鍍厚銅沉積速率快、時間長、氫氣釋放量大，對基體的形貌和狀態(tài)要求較高，如果基體表面有未除去的錫膠體，會大大影響鍍銅層與基體之間的結(jié)合力，從而出現(xiàn)起皮故障。將現(xiàn)用的堿性解膠液換為酸性解膠，加強(qiáng)解膠效果，經(jīng)此改變之后，化學(xué)沉銅后的板子均未再出現(xiàn)孔口起皮現(xiàn)象，再繼續(xù)跟蹤，也一直未再出現(xiàn)此類故障。
3·故障預(yù)防
為了防止此類故障的再次出現(xiàn)，在化學(xué)鍍厚銅的工序維護(hù)中，需要注意以下方面。
(1)保證清洗/調(diào)整劑的清洗能力以及其后的熱水洗的溫度及清洗水量，加強(qiáng)水洗;
(2)保持粗化液的粗化能力，保證微蝕深度在要求范圍內(nèi);
(3)活化液濃度和工作溫度不能過高;
(4)保證解膠溶液濃度及處理時間，使得能充分解膠;
(5)將沉銅液中各組份濃度及反應(yīng)溫度控制在要求范圍內(nèi)，避免沉積速率過快。
經(jīng)過更換解膠槽并將各工序操作參數(shù)控制在要求范圍內(nèi)，按照故障預(yù)防應(yīng)注意的幾個方面加強(qiáng)對各工序的維護(hù)，一直未再出現(xiàn)孔口起皮故障。
參考文獻(xiàn)
[1]姜曉霞,沈偉.化學(xué)鍍理論及實踐[M].北京:國防工業(yè)出版,2000.
[2]許盛光.鋁模芯直接化學(xué)鍍銅工藝研究[J].電鍍與精飾,1990,12(3):13-14.
[3]陳達(dá)宏.印制電路孔金屬化[J].電子工藝技術(shù),2001,2(3):102-105.
[4]林金堵,龔永林.現(xiàn)代印制電路基礎(chǔ)[M].上海:印制電路行業(yè)協(xié)會,2001.
[5]鄧宏喜.P C B開路的產(chǎn)生原因和改善措施[J].印制電路信息,2009(1):39-43.
第一作者簡介胡文強(qiáng)，從事印制電路板專用化學(xué)藥水的研發(fā)和技術(shù)服務(wù)工作，所研發(fā)的多項產(chǎn)品在PCB生產(chǎn)廠家使用。
