第八讲 孔金属化技术

《印制电路原理与工艺》
第八讲 孔金属化技术
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第八讲 孔金属化技术
图 印制电路板线路中的通孔、埋孔和盲孔
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双面印制板或多层印制板制造工艺的核心问题 是孔金属化过程。
钻孔
化学镀铜
电镀铜
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典型孔金属化工艺流程：
化学镀铜设备
化学镀铜
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一 去钻污
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三 电镀铜加厚 电镀工艺参数
镀铜常识：
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三 电镀铜加厚 电镀工艺参数
定义：电路中某点电流强弱和流动方向的物理量
单位：
它在物理中一般用J表示。
为了提高生产效率，在保证镀层质量的前提下，应尽量使用 高的电流密度。电流密度不同，沉积速度也不同。目前，电流 密度在1-2.5A /d㎡ 。
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三 电镀铜加厚 镀铜液的配制
2016-12-22
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三 电镀铜加厚 镀铜液的配制
以10 ％NaOH溶液注入镀槽，开启过滤机和空气搅拌。 将此液加温到60°C，保持4-8小时，然后用清水冲 洗。再注入5％硫酸，同样浸洗然后用清水冲洗。 在备用槽内，注入所配溶液1/4 体积的蒸馏水或去离 子水，在搅拌下缓慢加入计量的硫酸，借助于溶解所 放出的热量，加入计量的硫酸铜，搅拌使全部溶解。
加 速 后 的 孔 壁 表 面
作用：
1 、剥去 Pd 外层的 Sn4+的外壳， 露出 Pd金属。 2、清除松散不实的 Pd团或 Pd离 子、原子等。
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二 化学镀铜 6、化学镀铜
它是一种自催化氧化还原反应，在化学镀铜过程中Cu2＋得到电子还原为金 属铜，还原剂放出电子，本身被氧化
• 钻污的产生是由印制板的材料组成决定的
环氧树 脂或环 氧玻纤 布
铜 层
聚 酰 亚 胺
丙烯酸、 环氧类 热固胶膜 铜 层 挠性板组成结构
刚性板的组成结构
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一 去钻污
去钻污方法: 干法和湿法两种 干法处理 :
在真空环境下通过等离子体除去孔壁内钻污
湿法处理 :
浓硫酸、浓铬酸、高锰酸钾和PI调整处理
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三 电镀铜加厚 电镀工艺参数
镀铜参数影响有：温度、浓度、摆动、鼓风、过滤
物理反应：
利用正离子撞击分子表 面的方式，使需要处理 的物质，脱离 PCB而达 成 处 理 的 目 的 。 （ Ar 可以更换为其他惰性气 体，如 N2等）
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一 去钻污 等离子体处理法（Plasma）
等离子体处理工艺过程
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一 去钻污 浓硫酸去钻污
1.浸去离子水 用去离子水浸泡，去掉一些钻污和自来水 2.去钻污 添加剂把聚酰亚胺和丙烯酸胶膜腻污溶涨，使其容易被分解和去除。 接着聚酰亚胺钻污与联胺（胫）反应分解，从而去除掉相应的钻污。 3.自来水洗 去钻污后要充分清洗
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二 化学镀铜
在没有外电流通过的情况下，利用化学方法使溶 液中的还原剂被氧化而释放自由电子，把金属离子还 原为金属原子并沉积在基体表面，形成镀层的一种表 面加工方法。
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二 化学镀铜 6、化学镀铜
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二 化学镀铜
1. 在化学镀铜液中加入适量的稳定剂，并采用空气搅 拌溶液 2. 严格控制化学镀铜液的操作温度 3. 严格控制化学镀铜液PH值 4. 连续过滤化学镀铜液 5. 在镀液中加入高分子化合物掩蔽新生的铜颗粒
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化学镀也叫做自催化镀、无电解镀。 常用还原剂：次磷酸钠、硼氢化钠、二甲基胺硼烷、甲醛等。
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二 化学镀铜
印制板生产工艺中的化学镀 :
化学镀 铜 化学镀 钯
• 孔金属化
化学镀 镍金
化学镀 铑
印制板生 产工艺中 的化学镀
激光化 学镀金
化学镀 银
化学镀 锡 • 焊接+图形保护层
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Cu+S2O82-Cu2+ +2SO4 2-
作用：
1、去除铜面上的氧 化物及其他杂质。 2 、粗化铜表面，增 强 铜 面 与电 解铜 的 咬合力。
源自文库
B、硫酸 -H2O2系列:
Cu+H2SO4+H2O2CuSO4 +2H2O
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二 化学镀铜 3、预浸
作用： 1、防止板子带杂质污染物进入昂贵的 Pd槽。
三 电镀铜加厚 电镀基本原理
电化学发应
以酸性溶液镀铜为例简述电镀过程的电化学反应： 阴极反应： Cu2+ + 2e = Cu 2H+ + 2e = H2
阳极反应： Cu - 2e = Cu2+ 4OH- - 4e = 2H2O+O2
镀液组成
电镀液由主盐，导电盐，活化剂，缓冲剂，添加剂等组成。电解 溶液按主要放电离子存在的形式，一般可分为主要以简单（单盐） 形式存在和主要以络离子（复盐）形式存在的电解液两大类。
加入1-1.5毫升 /升双氧水, 搅拌1小时，升温至65 保温1 小时，以赶走多余的双氧水
° C，
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三 电镀铜加厚 镀铜液的配制
加入3g/L活性炭，搅拌1小时，静止半小时后过滤， 直至没有炭粒为止。将溶液转入镀槽。
加入计量的盐酸，加入计量的添加剂，加蒸馏水或 去离子水至所需体积。放入予先准备好的阳极。 以1-1.5 A/dm2阳极电流密度进行电解处理，使阳 极形成一层致密的黑色薄膜。大约 3-4小时以后， 可以投入使用。
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三 电镀铜加厚 电镀基本原理
主盐
在阴极上沉淀出所要求的镀层金属的盐称为主盐。镀液主盐的含量多少，直 接影响镀层的质量。主盐的浓度过高，则镀层粗糙；主盐浓度过低，则允许 的电流密度小，电流效率明显下降，影响沉积速度，还将导致其它问题。
导电盐
提高溶液导电性的盐类，增强溶液导电性，提高分散能力。
二 化学镀铜
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二 化学镀铜
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二 化学镀铜
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二 化学镀铜
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二 化学镀铜
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二 化学镀铜
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二 化学镀铜
孔金属化缺陷图
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二 化学镀铜
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缓冲剂
能使溶液pH值在一定范围内维持基本恒定的物质。
电解液中活化剂
阳极活化剂，能促进阳极溶解，使镀液中镍离子得到正常补充，氯化物含量 过低，阳极易钝化，过高，阳极溶解过快，镀层结晶粗糙。
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三 电镀铜加厚 电镀基本原理
络合剂
能与络合主盐中的金属离子形成络合物的物质称为络合剂。
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一 去钻污 等离子体处理法（Plasma）
等离子体 等离子体是电离的气体，整体上显电中性，是一种带电粒子组成的电离状 态，称为物质第四态。
等离子体产生
等离子球图片
等离子体
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一 去钻污 等离子体处理法（Plasma）
等离子体去钻污凹蚀原理
工业上现在常用电容耦合、电感耦合和波耦合三种基本方法，在一 定条件下来产生等离子体。 产生的离子、自由基等高能量和高活性等离子体，被连续的冲撞和 受电场作用力而加速，使其与材料表面碰撞，并破坏数微米范围以 内的分子键，诱导削减一定厚度，生成凹凸表面，形成气体成分的 官能团等表面的物理和化学变化，提高相应的除污、表面活化、提 高镀铜粘结力等作用。 例如：O2和CF4在高频电场中分解出加速的原子与分子，在加速的 同时发生碰撞，激发出电子，进而生成活性自由基，形成等离子体。
三 电镀铜加厚 工艺流程
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三 电镀铜加厚
垂直龙门电镀线
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垂直连续电镀线
水平电镀线
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三 电镀铜加厚 电镀基本原理
在含有金属阳离子的溶液中，电场的作用下，金属离子 在阴极得到电子并被还原，从而沉积在阴极金属基体表面。
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一 去钻污 碱性高锰酸钾处理法
1.溶胀 溶胀环氧树脂，使其软化，为高锰酸 钾去钻污作准备。
2.去钻污 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。
3.还原 去除高锰酸钾去钻污残留的高锰酸钾、 锰酸钾和二氧化锰
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一 去钻污 PI调整法去钻污
添加剂
为了改善镀层的性质，可在电解液中添加少量的添加剂。添加剂在电解液 中不能改变电解液的性质，单能显著改善镀层的性质。 光亮剂：使镀层光亮。 整平剂：能使镀件微观谷处获得微观峰处更厚的镀层。 湿润剂：能降低电极溶液间的界面张力，使溶液易于在电极表面铺展。 镀层细化剂：能使镀层结晶细致。
溶液组成：
硫酸铜、氢氧化钠、甲醛、EDTA（乙二酸胺四乙酸二钠）、 洛瑟尔氏盐（四水合酒石酸钾钠）
化学镀铜反应机理:
① Cu2＋－L＋2e = Cu＋L ② 2HCHO＋4OH－→2HCOO－＋2H2＋2e＋H2O ③ Cu2＋+2HCHO+4OH－→Cu+2HCOO－+2H2O+H2↑
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三 电镀铜加厚 电镀工艺参数
镀铜参数影响有：温度、浓度、摆动、鼓风、过滤
温度
20~28℃。镀液的温度过低，允许的工作电流密度会降低，提高温度，密 度会增加，但会减弱添加剂的作用，加速Cu+的氧化，使镀液变浑浊。
浓度
98%H2SO4 。当 H2SO4酸度不够时Cu+的氧化和水解形成铜粉。氧化亚铜 的生成会使镀层粗糙，因此电镀中避免氧化亚铜的存在，而只有H2SO4能 使镀液稳定，提高镀液的导电性和均镀能力，但太高会加速阳极的化学 溶解，使Cu2+含量上升。
3、活化：让 SnPd7Cl16附着在金属孔壁表面形成进一步反应的据点。
作为催化剂吸附H+的主体，加速HCHO的反应； 作为导体，以利于e-转移至Cu2+上形成Cu沉积。
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二 化学镀铜 4、活化
活化后的孔壁：
胶体
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二 化学镀铜 5、加速
Pd胶团粘附的板子，在经水洗之后， Pd粒之外会形成 Sn(OH)4等外壳。
由于 H2SO4具有强的氧化性和吸水性， 能将环氧树脂炭化并形成溶于水的烷基磺 化物而去除。反应式如下：
Cm(H2O)nn 浓H2SO4 mC＋nH2O
除钻污的效果与浓 H2SO4的浓度、处 理时间和溶液的温度有关。用于除钻污的 浓 H2SO4 的 浓 度 不 得 低 于 86 ％ ， 室 温 下 20~40 秒钟，如果要凹蚀，应适当提高溶 液温度和延长处理时间。
2、防止板面太多的水量带入Pd槽而导致局部水解。
Sn2+ +2H2OSn(OH)2+ +2H+
3、进一步降低其孔面的表面结合力。
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二 化学镀铜 4、活化
1、一般 Pd胶体以以下结构存在：
2、 SnPd7Cl16的产生是 PdCl2于 SnCl2在酸性环境中反应产生：
PdCl2+SnCl2PdSnCl4 PdSnCl4+6PdCl2SnPd7Cl16 SnPd7Cl16Pd6Cl12+SnCl2+PdCl2
PCB板
工作液
亲水基团，带正电 亲油基团
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二 化学镀铜 1、整孔
作用机理： 1、清洁剂
利用溶液中 亲油性 基团清洁表面。
2、调整剂
利用 亲水性基团 的吸附使孔壁呈正 电性，以利于Pd/Sn胶体负电离子吸附。
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二 化学镀铜 2、微蚀
作用机理： A、过硫酸盐系列:时间1-2min
O2+CF4 Free radicals react O*+OF*+CO*+COF*+F+e
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一 去钻污 等离子体处理法（Plasma）
等离子体对PCB去钻污处理的方式主要有以下两种：
化学反应：
利用等离子体的活性基团与要处理的物质进行一系列的化学反应，生成挥发物， 进而来达成等离子体处理。 Polymer+O*+OF*+CO*+COF*+F+e CO2 +H2O +NO2 +HF
二 化学镀铜
化学镀铜的原理 它是一种催化氧化还原反应，在化学镀铜 过程中Cu2＋得到电子还原为金属铜，还原剂放 出电子，本身被氧化。
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二 化学镀铜
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二 化学镀铜 1、整孔
表面活性剂分子层 （偶极性分子）
作用：
1、去除表面轻微 氧化物及轻微污渍。 2、整孔功能：对环 氧树脂及玻璃界面 活性有极好的效果。