電引發(fā)法制作PCB線路的研究

陳世榮 羅觀和 胡光輝 羅小虎

廣東工業(yè)大學輕工化工學院

1 引言

印制電路板（PCB）是信息工業(yè)最基礎的電子產(chǎn)品之一，已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)界的重要產(chǎn)業(yè)。我國是世界PCB生產(chǎn)的第一大國，但制造過程大多采用減成法，從而易產(chǎn)生金屬銅的浪費，并導致工序長、成本高、污染大、能耗高等特點[1]。目前各發(fā)達國家，如美國、日本、英國、韓國以及歐盟等正在大力開發(fā)技術含量高、材料消耗少、多功能化、環(huán)境友好的新型PCB制造工藝。要適應這種發(fā)展趨勢，現(xiàn)今PCB的制造方法必須發(fā)生根本性的改變。近幾年出現(xiàn)的印制電子（Printed Electronics）技術引人矚目，將給PCB的制造帶來革命性的變化?！叭≈齐娮蛹夹g”[2]（Print FuIl Electronic Technology）是指采用快速、高效和靈活的數(shù)字噴墨打印技術，在基板 （無銅箔）上面形成的導電線路和圖形，或形成整個印制電路板的過程。但全印制電子技術目前存在噴墨打印設備昂貴、導電銀漿昂貴、導電銅漿易氧化等問題。

本文采用絲印工藝在PET基材上印制碳粉或碳漿電路圖形，用電引發(fā)化學鍍的方法使電路圖形金屬化。介紹電引發(fā)化學鍍的基本原理和基本的工藝過程，探討電引發(fā)化學鍍銅的操作電壓（恒壓操作）、分析鍍層與油墨層結合力、化學鍍的時間對電路圖形金屬化的影響及對鍍銅層的厚度、電阻和外觀的影響。

2 電引發(fā)化學鍍的基本原理與工藝過程[3]

2.1 基本原理

電引發(fā)化學鍍是在外電流的作用下將需要化學鍍的金屬，如金、銀、銅、鎳、鈀、鉑等離子，從鍍液中還原沉積在電路圖形上，利用上述還原沉積金屬的自催化活性引發(fā)后續(xù)的化學鍍過程。

2.2 工藝步驟

加成法制作PCB電路圖形的工藝流程設計如下：（1）在PET基材上采用450目的絲網(wǎng)印刷形成碳粉或碳漿等導電材料形成的圖形；（2）將（1）制備的電路圖形浸入化學鍍液中，如化學鍍銅溶液、化學鍍鎳溶液，控制相應的操作溫度。（3）化學鍍液中放入兩根電極：用不銹鋼作惰性陽極，連接直流穩(wěn)壓（或穩(wěn)流）電源的正極；用銅、鎳、不銹鋼等金屬或合金作陰極，連接電源的負極。（4）設定適當?shù)碾妷夯蛘唠娏骱?，接通電源，以陰極接觸印制的圖形線路，由于碳漿線路具有導電性，因而能夠引發(fā)化學鍍過程。（5）化學鍍適當?shù)臅r間后，取出電路圖形，可獲得選擇性好、鍍層均勻、附著力強的金屬化電路圖形。電引發(fā)化學鍍的流程如圖1。

圖1 電引發(fā)化學鍍流程圖

2.3 化學鍍銅液的組成及操作條件

化學鍍銅液使用Rohmhaas公司生產(chǎn)的藥水，各組分比例見表1。

表1 化學鍍銅液組成

操作條件為：pH 12.0～12.5；溫度：40 ℃ ～ 50 ℃

2.4 后處理

電引發(fā)化學鍍后的后處理工藝流程如圖2。

圖2 后處理流程

上述的電引發(fā)化學鍍及后處理流程，工藝簡單，容易操作，只需控制操作電壓和刷子的移動速度即可。

3 實驗結果與討論

3.1 操作電壓對鍍層外觀、線路電阻、附著力等的影響

采用不銹鋼作惰性陽極，導電性良好的毛刷狀的刷子作為陰極，陰極來回接觸導電圖形，接觸時間為90s,調整不同的操作電壓進行電引發(fā)，電引發(fā)后化學鍍時間為15 min。實驗結果如表2。

表2 穩(wěn)壓操作時，電壓對化學鍍銅的影響

由表2可知，操作電壓1 V ～ 2.5 V不能有效的引發(fā)化學鍍銅；電壓3 V ～ 5 V能夠有效地引發(fā)化學鍍銅，并獲得均勻、電阻較小、附著力合格的鍍層，同時鍍液能夠穩(wěn)定的長時間使用；電壓5.5 V ～ 7 V能有效地引發(fā)化學鍍銅，但由于電壓較高導致產(chǎn)生初生態(tài)的銅過多，反應活性高，鍍層容易起皮，同時過多初生態(tài)的銅進入鍍液中容易引起鍍液分解，鍍液不穩(wěn)定。

圖3是鍍前印有碳漿的圖形，圖4是經(jīng)過電引發(fā)化學鍍后線路的情況。

圖3 絲印有碳漿線路圖形

圖4 電引發(fā)化學鍍將碳漿圖形金屬化后情形

3.2 鍍層/油墨層/基材間附著力影響因素的探討

導電線路在基材上附著力是PCB基本的性能指標之一。電引發(fā)法制作PCB的導電線路附著力包括油墨層與PET之間的附著力和銅層與油墨層之間的附著力。其中油墨層與PET之間的附著力可以通過選擇合適的油墨和溶劑，使油墨中的成膜物如樹脂能夠與PET基材形成化學鍵或氫鍵；或PET基材進行表面處理，提高基材表面粗糙度，達到增強油墨和基材結合力的目的。雖然銅層與油墨層明顯沒有形成化學鍵，也沒有對油墨進行表面處理，但可得到銅層與油墨之間的結合力滿足3M膠布測試，采用金相顯微鏡探討其原因。

圖5 碳漿線路800倍的金相顯微鏡圖

圖6 碳漿線路電引發(fā)鍍銅后的800倍的金相顯微鏡圖

圖7 碳漿線路電引發(fā)鍍上銅后的切片800倍金相顯微鏡圖

由圖5可以看到，碳漿導電線路表面凹凸不平；圖6中看到電引發(fā)化學鍍鍍上的銅主要位于凹處，圖7表明鍍上的銅較平整分布在炭漿線路上。由此推斷，鍍上的銅與碳漿形成“錨固效應”，同時鍍上銅后，整個線路的平整度得到提高，這些是銅鍍層與油墨層附著力強的原因。

3.3 電引發(fā)化學鍍銅的時間

電引發(fā)化學鍍銅后，其化學鍍的時間對線路的電阻、銅厚、銅層都有一定的影響。實驗中采用操作電壓為3.5 V，電引發(fā)化學鍍的時間為90 s，化學鍍的時間分別為10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min，化學鍍的溫度為35 ℃。采用測厚儀測定銅厚、采用萬用表測定電阻。實驗結果見表3：

表3 化學鍍時間對銅厚、電阻及、銅層外觀影響

由表3可以看出，隨化學鍍時間的廷長，銅厚不斷增大，但增厚速度不斷減少；電阻不斷下降，銅層外觀仍保持均勻，無起皮現(xiàn)象。但要在短時間要得到合格較厚的鍍層和較小電阻，還需尋找合適的化學鍍厚銅藥水。

4 結論和展望

電引發(fā)化學鍍制作PCB線路，通過絲印導電油墨線路，在合適的操作電壓3～5V條件下，可得導電性良好、附著力強的均勻鍍層。為加法制作印刷電路板添加一種新的方法。

該方法就試驗結果應用于制作塑料基材FRID標簽的天線，應該有較好的價格優(yōu)勢；隨著鍍厚銅化學品等的不斷開發(fā)和應用，用電引發(fā)制作PCB線路，在節(jié)能環(huán)保，降低制作成本等有較好的應用前景。

[1]周敏.最新印制電路設計制作工藝與故障診斷, 排除技術實用手冊.吉林:音象出版社, 2006:1-2.

[2]林金堵.噴墨打印技術在PCB中的應用前景[J].印制電路信息, 2008,04:8-13.

[3]胡光輝, 羅觀和, 陳世榮等.發(fā)明專利: 一種電引發(fā)化學鍍的加成法制造印刷電路板的方法.申請?zhí)? 201010270391.0