化學鍍厚銅、有機導電膜、黑孔化工藝比較

張 正 李孝瓊 高 四 蘇良飛

（中南電子化學材料所，湖北 武漢 430070）

20世紀60年代，隨著孔金屬化技術的不斷成熟，歐美孔金屬化雙面板開始大規(guī)模生產(chǎn)，70年代開始多層印制板迅速發(fā)展，并不斷向高精度、高密度、細線小孔、高可靠性、低成本和自動化連續(xù)生產(chǎn)方向發(fā)展?？捉饘倩侵疙攲雍偷讓又g的孔壁上用化學反應將一層薄銅沉積在孔的內(nèi)壁上，使得印制電路板的頂層與底層通過孔壁銅層相互連接?？捉饘倩址Q鍍通孔，英文名稱：Plated Through Hole（PTH），是印制電路板制造技術的關鍵之一。

隨著工藝改進和技術升級，傳統(tǒng)化學鍍薄銅工藝部分被化學鍍厚銅、直接電鍍（有機導電膜、黑孔化）代替，本文對取代化學鍍薄銅的三種工藝進行比較。

1 傳統(tǒng)線路板化學鍍銅生產(chǎn)工藝流程

傳統(tǒng)化學鍍銅工藝一般采用化學鍍薄銅，隨即進行全板電鍍銅（電鍍一銅），使金屬化孔銅厚度達到5 μm以上，便于圖形轉移工序的順利進行。隨著化學鍍薄銅工藝的熟練運用，業(yè)界為了減少線路板制造工序，提高線路板制造效率，出現(xiàn)了將化學鍍薄銅和電鍍一銅合為一體的制作工藝，按時間順序依次為化學厚銅工藝、直接電鍍工藝（有機導電膜和黑孔）。

圖1

2 化學厚銅工藝

化學鍍薄銅厚度一般控制在0.3 μm ～ 0.5 μm，然后全板電鍍加厚至5 μm ～ 8 μm，進入圖形轉移工序。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)精細線路板（0.1 mm以下）時，容易造成整板蝕刻干凈而中間部分線路已過蝕，或者中間線路蝕刻符合要求，而板周邊卻未蝕刻干凈，因而報廢。另外，在細孔多層板（孔徑0.3 mm ～ 0.5 mm）制作過程中，對化學鍍銅的均勻全覆蓋要求極嚴，如果采用先沉薄銅再電鍍加厚，往往因孔壁化學銅不夠厚而易形成空洞，造成孔壁鍍層的不均勻而無法達到嚴格的技術標準?；谝陨霞夹g問題，近年來不少電路板廠改用化學鍍厚銅的技術?；瘜W厚銅工藝在絡合劑體系、處理時間、反應速率等方面與化學薄銅略有不同，化學鍍厚銅的處理時間較長，鍍層厚度一般在1.8 μm ～ 2.5 μm，也有廠家為節(jié)省成本，銅厚度控制在1.4 μm ～ 1.6 μm。完成化學鍍厚銅后，電路板經(jīng)防氧化處理即可直接進入圖形轉移工序，然后圖形電鍍，縮短了生產(chǎn)流程，有著非常廣泛的應用。

2.1 化學厚銅工藝流程與結晶形態(tài)

化學厚銅段的流程（圖2）與化學薄銅相似（圖3）。

圖2

圖3 化學銅銅面SEM圖（3000×，左：化學厚銅，右：化學薄銅）

圖1為化學厚銅立體結晶形態(tài)。由于化學厚銅的結晶結構并不細密，因而當操作參數(shù)管理不良，或藥水老化或污染時，極容易發(fā)生脫皮等問題。

2.3 化學厚銅的優(yōu)點

（1）工藝流程簡化，化學鍍薄銅與電鍍一銅合二為一；（2）板面銅厚均勻，方便蝕刻，有利于細微線路制作；（3）工藝管控和設備與化學薄銅相似，易于切換；（4）減少人工、水電；（5）節(jié)省磷銅球25%（圖形占板面積25%）。

2.4 化學厚銅的缺點

（1）含甲醛，對操作人員健康不利；

（2）化學鍍銅層較電鍍銅層疏松，參數(shù)控制不嚴易造成鍍層結合力差而起皮；

（3）磨板磨刷目數(shù)控制不嚴易導致大孔和槽孔孔口破裂。

3 直接電鍍—有機導電膜工藝

3.1 有機導電膜工藝流程

有機導電膜是近年來線路板行業(yè)興起的取代化學鍍銅的新工藝。線路板鉆孔后去毛刺，進入有機導電膜工序后直接進入圖形轉移工序，然后電鍍二銅，流程圖如下圖4：

圖4

有機導電膜工藝流程比較簡單，見圖5。

圖5

3.2 原理

在氧化槽中，高錳酸鉀與樹脂發(fā)生氧化還原反應，在非導體表面上生成MnO2吸附層，它會嵌入印制板非導體基材的孔隙中或化學吸附到印制板表面上。在催化槽中，在有機酸存在的情況下，MnO2催化有機單體（如吡咯、噻吩、苯胺等）在孔壁上形成單鍵和雙鍵交替存在的導電聚合物，為直接電鍍銅提供導電層，如圖6。

圖6 導電聚合物聚噻吩形成示意圖

3.3 優(yōu)點

（1）使用水平線自動設備沉積有機導電膜比化學銅垂直自動線花費減少20%；

（2）空間節(jié)省30%，因而減少了過度投資；

（3）步驟簡單，只有三個工序；

（4）減少人工，降低勞動力成本；

（5）節(jié)省磷銅球25%（圖形占板面積25%）；

（6）循環(huán)時間減少，提高生產(chǎn)效率20%；

（7）藥液分析維護減少；

（8）環(huán)保、不含鰲合劑、不含甲醛，提高了工作者的健康度，減少了廢物的產(chǎn)生。

3.4 缺點

（1）處理撓性線路板效果欠佳，不能處理高頻板，高錳酸鉀與聚四氟乙烯基材難反應；（2）槽孔和5.0 mm以上孔徑需做多層板前處理（Desmear）；（3）催化槽換槽頻率快，15天需更換一次；（4）氧化槽88 ℃的工作溫度偏高；（5）多層板8層以上可靠性有待進一步驗證。

4 直接電鍍—納米碳黑孔工藝

4.1 黑孔工藝流程

納米碳系列直接電鍍技術通常稱為黑孔化，它是將納米碳浸涂在孔壁上形成導電層，其關鍵在于制造納米碳溶液即黑孔化溶液。該溶液由納米碳、分散介質和表面活性劑三部分組成。納米級碳作為導電物質，要均勻浸涂并附著在孔壁上形成導電層；液體分散介質的作用是分散納米碳，通常為去離子水；表面活性劑的作用是增進納米碳懸浮液的穩(wěn)定性和潤濕性能，使碳能充分吸附到孔壁非導體基材上，陽離子、陰離子和非離子表面活性劑均可使用，但應選用低泡型。為提高懸浮液的穩(wěn)定性，溶液的pH值為9～12，可用堿金屬氫氧化物如氫氧化鉀調節(jié)。

黑孔工藝流程為圖7。

圖7

4.2 原理

線路板先經(jīng)整孔步驟處理，清潔板面，并將板面負電荷調整為正電荷，由于納米碳顆粒經(jīng)適當處理后，其表面帶適量負電荷，這樣納米碳與孔壁接觸由于靜電吸引，納米級的碳粉便吸附在孔壁 上并經(jīng)固化，形成致密結合牢固的導電層，然后可進行直接進行電鍍。

4.3 優(yōu)點

（1）使用水平線自動設備比化學銅垂直自動線花費減少20%；

圖3 碳黑粒子與孔壁作用示意圖

（2）空間節(jié)省30%，因而減少了過度投資；

（3）步驟簡單，只有三道工序；

（4）減少人工，降低勞動力成本；

（5）節(jié)省磷銅球25%（圖形占板面積25%）；

（6）循環(huán)時間減少，提高生產(chǎn)效率20%；

（7）藥液分析維護減少，維護簡單；

（8）更環(huán)保，不含鰲合劑、不含甲醛及高分子有機物，提高了工作者的健康度，減少了廢物的產(chǎn)生，廢水較高分子導電膜更容易處理；

（9）換槽頻率小；

（10）可處理雙面板、撓性線路板、8層以下多層板。

4.4 缺點

（1）處理高頻板效果不佳；（2）槽孔和5.0 mm以上孔徑需做多層板前處理（Desmear）；（3）多層板8層以上可靠性有待進一步驗證。

5 結論

隨著節(jié)能環(huán)保要求不斷提高，PCB行業(yè)取代含甲醛的化學薄銅的直接電鍍技術迅猛發(fā)展。在化學厚銅、有機導電膜和納米碳黑孔等直接電鍍技術中，納米碳黑孔直接電鍍工藝的應用范圍較寬、更環(huán)保、維護更簡單、綜合成本較低，隨著撓性線路板的廣泛應用，其更值得推廣。

[1]楊維生等. 印制板孔金屬化直接電鍍工藝研究[J].電子工藝技術,1999,20(3):1-7.

[2]陳新強. 導電聚合物直接電鍍技術[J]. 印制電路信息,2014,(5):40-43.

[3]鄭雅杰,鄒偉紅,易丹青,龔竹青,李新海. 四羥丙基乙二胺和EDTA·2Na鹽化學鍍銅體系研究. 材料保護, 2006(39):20-24.