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1、印制电路板化学沉铜化学铜被广泛应用于有通孔的印制线路板的生产加工中，其主要目的在于通过一系列化学处理方法在非导电基材上沉积一层铜，继而通过后续的电镀方法加厚使之达到设计的特定厚度，一般情况下是1mil(25.4um)或者更厚一些，有时甚至直接通过化学方法来沉积到整个线路铜厚度的。化学铜工艺是通过一系列必需的步骤而最终完成化学铜的沉积，这其中每一个步骤对整个工艺流程来讲都是很重要。本章节的目的并不是详述线路线路板的制作过程，而是特别强调指出线路板生产制作中有关化学铜沉积方面的一些要点。至于对那些想要了解线路板生产加工的读者，建议参阅其它文章包括本章后的所列举一部分的参考书目。镀通孔（金属化孔）的
2、概念至少包涵以下两种含义之一或二者兼有：1形成元件导体线路的一部分；2形成层间互连线路或印制线路；一般的一块线路板是在一片非导体的复合基材（环氧树脂 -玻璃纤维布基材， 酚醛纸基板，聚酯玻纤板等）上通过蚀刻（在覆铜箔的基材上）或化学镀电镀（在覆铜箔基材或物铜箔基材上）的方法生产加工而成的。PI 聚亚酰胺树脂基材：用于柔性板（FPC ）制作，适合于高温要求；酚醛纸基板：可以冲压加工，NEMA 级，常见如： FR-2,XXX-PC; 环氧纸基板：较酚醛纸板机械性能更好，NEMA 级,常见如： CEM-1,FR-3; 环氧树脂玻纤板：内以玻璃纤维布作增强材料，具有极佳的机械性能，NEMA 级，常见如
3、： FR-4,FR-5,G-10,G-11; 无纺玻纤聚酯基板：适合于某些特殊用途，NEMA 级，常见如：FR-6; 化学铜 /沉铜非导电基材上的孔在完成金属化后可以达到层间互连或装配中更好的焊锡性或二者兼而有之。非导电基材的内部可能会有内层线路-在非导电基材层压（压合）前已经蚀刻出线路，这种过程加工的板子又称多层板（MLB ）。在多层板中，金属化孔不仅起着连接两个外层线路的作用，同时也起着内层间互联的作用，加入设计成穿过非导电基材的孔的话（当时尚无埋盲孔的概念）。现在生擦和许多线路板在制程特点上都采用层压基板下料，也就是说，非导体基材的外面是压合上去一定厚度电解法制作的铜箔。铜箔的厚度是用每
4、平方英尺的铜箔重量（盎司）来表示的，这种表示方法转化为厚度即为表13.1 所示 :这些方法一般使用胶细的研磨剂如玻璃珠或氧化铝研磨材料.在湿浆法过程中是采用喷嘴喷浆处理孔.一些化学原料无论在回蚀和/或除胶渣工艺中用来溶解聚合物树脂.通常的 (如环氧树脂系统),浓硫酸 ,铬酸的水溶液等都曾经被使用过.无论哪种方法 ,都需要很好的后处理,否则可能造成后续湿流程穿孔化学铜沉积不上等诸多问题的产生. 浓硫酸法 : 槽液处理后要有一个非常好的水洗,最好是热水 ,尽量避免水洗时有强碱性溶液.可能会形成一些环氧树脂磺酸盐的钠盐残留物产生,这种化合物很难从孔内清洗除去.它的存在会形成孔内污染,可能会造成很多电
5、镀困难. 铬酸法 : 孔内六价铬的存在会造成孔内化学铜覆盖性的很多问题.它会通过氧化机理破坏锡钯胶体,并阻碍化学铜的还原反应.孔破是这种阻碍所造成的常见结果.这种情况可以通过二次活化解决 ,但是返工或二次活化成本太高,特别在自动线,二次活化工艺也不是很成熟. 铬酸槽处理后经常会有中和步骤处理,一般采用亚硫酸氢钠将六价铬还原成3 价铬 .中和剂亚硫酸氢钠溶液的温度一般在100F 左右，中和后的水洗温度一般在120150F ，可以有清洗干净亚硫酸盐，避免带入流程中的其他槽液，干扰活化。其它系统：也有一些其它的化学方法应用于除胶渣/去钻污和回蚀工艺。在这些系统中，包括应用有机溶剂的混合物 （膨松 /
6、溶胀树脂） 和高锰酸钾处理， 以前也用于浓硫酸处理的后处理中，现在甚至直接取代浓硫酸法/铬酸法。此外还有等离子体法，还处于试验应用阶段，很难用于大规模的生产，且设备投资较大。无电化学铜工艺前处理步骤的主要目的：1保证化学沉铜层与非导电基材之间的结合力2保证化学沉铜沉积层的连续完整性；3保证化学铜与基材铜箔之间的结合力；4保证化学铜与内层铜箔之间的结合力以上是对化学铜/无电铜前处理作用的简要说明。下面简述无电化学铜典型的前处理步骤：一除油除油的目的：1除去铜箔和孔内的油污和油脂；2.除去铜箔和孔内污物；3有助于从铜箔表面除去污染和后续热处理；4对钻孔产生聚合树脂钻污进行简单处理；5.除去不良钻孔
7、产生吸附在孔内的毛刺铜粉；6除油调整在一些前处理线中，这是处理复合基材（包括铜箔和非导电基材）的第一步，除油剂一般情况下是碱性， 也有部分中性和酸性原料在使用。主要是在一些非典型的除油过程中；除油是前处理线中的一个关键的槽液。除油不足可能会导致一些如下的质量问题的产生：被污物沾染地方会因为活化剂吸附不足即而造成化学铜覆盖性的问题（亦即微空洞和无铜区的产生） 。微空洞会被后续电镀铜覆盖或桥接，但是此处电铜层与基地的非导电基材之间没有任何结合力而言，最终结果可能会造成孔壁脱离和吹孔的产生。沉积在化学铜层上的电镀层产生的内部镀层应力和基材内被镀层包裹的水分或气体因后续受热（烘板，喷锡，焊接等）所产生
8、的蒸汽膨胀涨力趋向于将镀层从孔壁的非导电基材上拉离，可能会造成孔壁脱离；同样孔内的毛刺披锋产生的铜粉吸附在孔内在除油过程中若是不被除去， 也会被电镀铜层包覆，同样该处铜层与非导电基材之间没有任何结合力而言，这种情况最终也可能会造成孔壁脱离的结果。以上两种结果无论发生与否，但有一点无可否认，该处的结合力明显变差而且该处热应力明显升高，可能会破坏电镀层的连续性，特别是在焊接或波焊过程中， 结果造成吹孔的产生。吹孔现象实际上是从结合力脆弱的镀层下的非导电基材出产生的蒸气因受热膨胀而喷出造成的！假若我们的无电铜沉积在基材铜箔的污物上或多层板内层铜箔圆环上的污染物上，这样无电铜和基底铜之间的结合力也会比
9、清洗良好的铜箔之间的结合力差很多，结合不良的结果可能会产生：假若油污是点状的话，可能造成起泡现象的发生，；假若污物面积较大时，甚至可能造成无电铜产生脱离现象；除油过程中的重要因素：1如何选择合适的除油剂-清洗 /除油剂的类型2除油剂的工作温度3除油剂的浓度4除油剂的浸渍时间5除油槽内的机械搅拌；6除油剂清洗效果下降的清洗点；7除油后的水洗效果；在上述清洗操作中，温度是一个值得关注的关键的因素，许多除油剂都有一个最低的温度下限，在此温度以下清洗除油效果急剧下降！水洗的影响因素：1水洗温度应该在60F 以上；2空气搅拌；3最好有喷淋；4整个水洗有足够的新鲜水及时更换；。除油槽后的水洗在某种意义上与
10、除油本身一样重要，板面和孔壁残留的除油剂本身也会成为线路板上的污染物，继而污染后续其他的主要处理溶液如微蚀和活化。一般在该处最典型的水洗如下：a.水温在 60F 以上，b.空气搅拌；c.在槽内装备喷嘴时板件在水洗时有新鲜水冲洗板面；条件 c 不经常使用，但是ab 两项是必需的；清洗水的水流量取决于如下因素：1废液带出量（ml/ 挂）2水洗槽内工作板负载量3水洗槽的个数（逆流漂洗）二电荷调整或整孔：典型的除油后采用电荷调整工艺，一般在一些特殊板材和多层板生产中，因为树脂本身的电荷因素， 在经过除胶渣凹蚀的过程后，需要在电荷方面作调整处理；调整的重要作用就是对非导电的基材进行“ 超级浸润 ” ，换
11、句话来说，就是将原先带微弱负电荷的树脂表面经过调整液处理后变性为带微弱正电荷活性表面。在一些情况下提供一个均匀连续正电荷极性表面，这样可以保证后续活化剂可以被有效充分的吸附在孔壁上。有时候调整的药品会被加到除油剂中，于是也会称为除油调整液，尽管单独的除油液和调整液会比合二为一的除油调整液效果更佳，但是行业的趋势已将二者合二为一，调整剂其实就是一些表面活性剂而已。调整后的水洗极为重要，水洗不充分， 会使表面活性剂残留在板铜面上， 污染后续微蚀，活化液，以致可能影响最终铜铜之间的结合力，结果降低化学铜和基材铜之间的结合力。此处应该注意清洗水的温度和有效清洗的水流量。调整剂的浓度应该要特别注意，应该
12、避免太高浓度的调整剂的使用，适量的调整剂反而会起到更明显的作用。三.微蚀无电铜沉积的前处理的下一步就是微蚀或微蚀刻或微粗化或粗化步骤，本步骤的目的是为后续的无电铜沉积提供一个微粗糙的活性铜面结构。如果没有微蚀步骤，化学铜和基材铜之间的结合力会大大降低；粗化后的表面可以起到一下作用：1铜箔的表面积大大增加，表面能也大大增加，为化学铜和基材铜之间提供根多的接触面积；2假若一些表面活性剂在水洗时没有被清洗掉，微蚀剂可以通过蚀去其底部基材铜面上的铜基而清除掉基材表面的表面活性剂，但是完全依靠微蚀剂取出表面活性剂是不太现实的和有效的， 因为表面活性剂残留的铜面面积较大时，允许微蚀剂作用的机会很小，经常会
13、微蚀不到大片表面活性剂残留处的铜面；3为后续活化剂的吸附提供一个良好的锚点，使后续的活化胶体钯可以很好的吸附在基材铜的表面；4后续的无电铜层可以通过粗化良好的表面与基材铜紧密地结合在一起；5.其实此处的微蚀还有一个作用：除去板面铜箔上和内层铜箔面上的吸附的作为调整剂的表面活性剂分子，因为在基材铜和化学铜之间存在有机分子层会影响二者之间的结合力）为了达到理想的效果，微蚀要达到一定的深度。通常情况至少要微蚀到1 微米以上，一般在 1-2 。5 微米左右，微蚀厚度不足即使在后续条件理想条件下，也不一定会有一个满意的结果。单纯的从基材铜箔上蚀去铜不是我们的真正目的，微蚀剂微蚀后产生的鲜艳粉红色的活性铜
14、面才是我们的真正的所要求的，由此可以得到一个微粗化的活性表面。微蚀剂作用的好坏会受到槽液里铜含量的高低的影响。温度也是微蚀液的一个重要参数。温度太低，微蚀不足甚至铜面依然光亮；温度太高， 槽液失控分解报废， 板件孔口露基材，多层板内层铜箔的反回蚀等；多层板的内层铜箔会因为微蚀过度造成回缩， 这种现象称为反回蚀，这样会降低无电铜和内层铜箔之间的结合面积及结合力 (因为反回蚀后的部分树脂表面没有经过除油调整而会造成此处的沉铜的连续和沉积性问题，影响板子的连接可靠性信赖度等问题)这是我们不希望看到的。无电铜和基材铜箔之间的结合力不良一般都是由于微蚀不足和表面清洁度问题造成的。沉铜后的结合力的拉力试验
15、可以每天一到两次作为沉铜质量控制的手段之一，可以帮助我们及时地发现问题，但是很多工厂只是在问题发生后才去做此检验，这样拉力试验只是作为人们对担心的问题的验证方法而已 ! 拉力试验一般使用约6 英寸长宽约0。 5-1 英寸的胶带紧紧压贴在铜面上，用力快速的拉起，胶带应贴在有部分孔的地方，用拇指或硬币按压结实，撕后观察胶带板面有无铜箔被拉起撕掉。孔口铜皮翻起的可能原因：板子孔内残留的清洗剂流出而清洗未净；过活化；无电铜沉积不良；孔口铜皮翻起可能会因为过微蚀和上述的原因；微蚀前的水洗很重要，水洗充分可以确保残留除油剂不带入微蚀槽内或污染铜面。对所有的微蚀剂来讲，碱性有机物是一种毒化剂，会严重破坏微蚀
16、剂的功能；微蚀的维护预防措施：用单独的槽子用于无电铜挂具/篮的铜褪镀；水洗充分 -避免铜的带出化学铜用的挂篮应该用一个单独的槽子去褪镀，不能放在微蚀槽中，因为微蚀剂对金属的带入特别是钯的存在敏感性特别明显，可能会导致槽液的分解；微蚀后良好的水洗也是为了不带入铜离子污染其他化铜前处理液。常见的可作为微蚀剂的化学品主要有以下几种：过硫酸铵，过硫酸钠,其他如硫酸双氧水氧化剂（一般双氧水1-1 。5 磅/加仑 1% 硫酸）以及其他的过硫酸盐微蚀剂，氯化铜不可用做微蚀剂，因为微蚀铜面会残留氯化亚铜，难于清洗去除。微蚀剂过硫酸盐型硫酸双氧水型1除油剂 /调整除油 /调整2水洗水洗3微蚀浸硫酸溶液4水洗水洗（最好）5浸硫酸溶液微蚀6水洗水洗采用硫酸双氧水作为微蚀剂，需要在一个较高的操作温度下，一般经常在微蚀槽前除油后增加一个硫酸浸洗液主要是为减少碱性材料特别是一些表面活性剂的带入，因为对于硫酸双氧水体系的稳定剂来讲，除油和调整的一些表面活性剂是毒性剂。若采用其他的微蚀剂体系，则要求在微蚀后增加一硫酸浸洗液，以除去
