導(dǎo)電聚合物用于微盲孔直接電鍍工藝的常見問題與對(duì)策

劉彬云*，肖亮，何雄斌

（廣東東碩科技有限公司，廣東 廣州 510288）

在印制電路板(PCB)制造工藝中，層間電路導(dǎo)通是靠通孔或盲孔金屬化來完成的。傳統(tǒng)工藝一般都采用以甲醛為還原劑的化學(xué)鍍銅層為底層。但甲醛毒性大，是一種致癌物質(zhì)，并且含有銅離子、鎳離子、鈀離子和配位劑的化學(xué)鍍銅廢液難以處理。因此人們對(duì)非甲醛體系化學(xué)鍍銅進(jìn)行了大量研究，其中以次磷酸鹽和乙醛酸代替甲醛的研究最多[1]，但出于成本等多方面的考慮，這些工藝并沒有被大量應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

直接電鍍利用了導(dǎo)電材料(如碳、鈀、導(dǎo)電聚合物等)替代傳統(tǒng)化學(xué)鍍銅來實(shí)現(xiàn)孔導(dǎo)通化，目前已有部分被應(yīng)用于PCB的孔導(dǎo)通化制程中。利用具有共軛結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物(如聚乙炔)來實(shí)現(xiàn)直接電鍍的最大優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保，流程短，能耗低，廢水處理簡單。但由于導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電性弱，盲孔內(nèi)玻璃纖維處沉積的導(dǎo)電聚合物尤其少，因此電鍍后常存在孔內(nèi)無銅、單點(diǎn)銅薄、“螃蟹腳”(即孔底角斷銅)等問題，常常需要通過化學(xué)摻雜來提高其導(dǎo)電性[2]。早期A.J.Heeger等就通過摻雜鹵素來提高聚乙炔的導(dǎo)電性[3]。1990年，Bayer公司以二氧化錳作為氧化劑聚合得到聚噻吩[4]，并于1995成功申請(qǐng)了聚噻吩用于雙面、多層印制電路板通孔電鍍的專利[5]。國內(nèi)在導(dǎo)電聚合物方面的研究起步較晚，可用于印制電路板孔導(dǎo)通化的導(dǎo)電聚合物的研究就更晚。2006年，江蘇工學(xué)院的陳智棟等以吡咯、苯胺為單體，硫酸等無機(jī)酸為摻雜劑，過硫酸鹽或高錳酸鹽為氧化劑，聚乙烯吡咯烷酮為表面活性劑，得到含導(dǎo)電聚合物的水溶性膠體溶液，將PCB絕緣基板浸漬于該溶液后，即可實(shí)現(xiàn)直接電鍍銅[6]。

本文以某PCB產(chǎn)品為例，介紹了導(dǎo)電聚合物膜應(yīng)用于直接電鍍銅的主要工藝流程，就實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行匯總，并給出了相應(yīng)的對(duì)策，希望能給同行提供參考。

1 微盲孔直接電鍍銅的工藝流程

研究試樣的微盲孔孔徑為(110 ± 10) μm，孔深為(90 ± 5) μm，由激光打孔形成，其中的PCB層間絕緣介質(zhì)層由樹脂和玻璃纖維組成，在激光燒蝕過程中會(huì)形成膠渣，因此在有機(jī)導(dǎo)電膜工藝前要除膠渣。整個(gè)工藝流程包括除膠渣、有機(jī)導(dǎo)電膜工藝和電鍍銅，除膠渣和導(dǎo)電膜工藝位于同一條水平設(shè)備上，統(tǒng)稱為“選擇性有機(jī)導(dǎo)電工藝”(selective organic conducting，SOC)。完成SOC工藝的微盲孔內(nèi)沉積了一層有機(jī)導(dǎo)電膜，其導(dǎo)電性比金屬銅差很多，需要電鍍一層4 ～ 6 μm的薄銅為后續(xù)微盲孔填鍍提供良好的導(dǎo)電層。本文主要探討除膠渣、導(dǎo)電膜及電鍍銅這3個(gè)關(guān)鍵步驟。

1.1 除膠渣

除膠渣的目的是除去鉆孔時(shí)因摩擦引起高溫所產(chǎn)生的膠渣，避免后續(xù)電鍍銅與內(nèi)層銅之間存在互連不良問題(interconnect defect，ICD)。另外，除膠渣也會(huì)對(duì)孔壁絕緣介質(zhì)咬蝕形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，從而提高孔壁與電鍍銅層之間的結(jié)合力。要求除膠量為 0.1 ～ 0.5 mg/dm2(采用稱重法測得)。具體流程為：膨脹(2721 膨脹劑 230 mL/L，NaOH 5 g/L，89 °C，90 s)→除膠(2723除膠劑 130 mL/L，NaOH 50 g/L，89 °C，3 min)→中和(濃硫酸50 mL/L，2724中和劑30 mL/L，30%過氧化氫15 mL/L，常溫，45 s)。如無特別說明，本文所用助劑和添加劑均來自東碩公司。

1.2 導(dǎo)電膜工藝

導(dǎo)電膜工藝是在絕緣介質(zhì)上制備導(dǎo)電膜，要求導(dǎo)電膜的方阻低于5 k?。主要步驟為：調(diào)整(碳酸鈉5 g/L，2301A調(diào)整劑100 mL/L，2301B調(diào)整劑20 mL/L，55 °C，60 s)→引發(fā)(2302引發(fā)劑150 mL/L，硼酸10 g/L，88 °C，90 s)→聚合(2303A聚合劑20 mL/L，2303B聚合劑20 mL/L，2303C聚合劑20 mL/L，18 °C，120 s)。

1.3 電鍍銅

電鍍銅包括除油(除油劑6169NF 50 mL/L，50 °C，60 s)、微蝕(過硫酸鈉90 g/L，98%硫酸20 mL/L，30 °C，45 s)和電鍍(CuSO4·5H2O 150 g/L，VCP20A整平劑 3 mL/L，98%硫酸150 g/L，VCP20B光亮劑3 mL/L，Cl?60 mg/L，VCP20C濕潤劑16 mL/L，溫度22 °C，電流密度2.0 A/dm2，時(shí)間20 min)。要求電鍍銅層厚度為4 ～ 6 μm，且切片觀察不能有單點(diǎn)銅薄或斷銅(俗稱孔破)。

2 常見問題與對(duì)策

2.1 前處理問題

2.1.1 鉆孔過度

現(xiàn)象描述：如圖1所示，鉆孔孔形差，懸銅或凹蝕量過大，膠渣未除盡，電鍍后銅厚不均勻，孔底鍍銅層與基銅浮離。

圖1 孔內(nèi)懸銅與凹蝕Figure 1 Overhanging copper and etching back in holes

解決對(duì)策：調(diào)整鉆孔時(shí)激光的能量，在打穿面銅后，低能量地分多槍打介質(zhì)層，使鉆孔呈倒梯形，孔壁圓滑，膠渣少。

2.1.2 未經(jīng)除膠渣處理

現(xiàn)象描述：如圖2所示，鉆孔孔壁粗，但局部光滑，孔口有膠渣將電鍍層與基銅分開，膠渣附著在孔底基銅上，底部電鍍銅層偏薄，孔底角有斷銅現(xiàn)象。

圖2 孔底膠渣與斷銅Figure 2 Smear and corner crack at the bottom

解決對(duì)策：檢查除膠渣工段的噴流是否打開，液位是否能有效浸沒板件，前處理各槽液溫度是否在工藝范圍內(nèi)，生產(chǎn)過程中是否有多片板疊在一起而影響藥水在孔內(nèi)的交換。

2.1.3 正常膨脹，但除膠不足

現(xiàn)象描述：如圖3所示，孔形比較光滑，孔底電鍍銅層偏薄，與基銅間有輕微浮離，孔底角銅層薄甚至存在斷銅(即“螃蟹腳”)。

圖3 孔形光滑與螃蟹腳Figure 3 Smooth hole wall and crab pincers

解決對(duì)策：檢查除膠段噴流是否打開，液位是否能有效浸沒板件，除膠槽液溫度是否在工藝范圍內(nèi)，必要時(shí)測試除膠量，看是否達(dá)標(biāo)。

2.1.4 膨脹過度

現(xiàn)象描述：如圖4所示，鉆孔孔形較好，但孔壁粗糙，電鍍銅層偏薄。

圖4 孔粗與銅薄Figure 4 Rough hole wall and thin copper coating

解決對(duì)策：檢查膨脹槽液溫度是否過高，分析膨脹劑濃度是否超標(biāo)，檢查板材是否有異常(如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度偏低或固化不足)。

2.1.5 除膠過度

現(xiàn)象描述：如圖5所示，鉆孔孔形較好，孔壁粗糙度過大且伴有玻纖布紋凸出，有“燈芯效應(yīng)”出現(xiàn)，電鍍銅層偏薄。

圖5 燈芯效應(yīng)與銅薄Figure 5 Wick effect and thin copper coating

解決對(duì)策：檢查除膠段的超聲振動(dòng)是否太強(qiáng)，除膠槽液溫度是否超標(biāo)，板材是否有異常，必要時(shí)測試除膠量，看是否超標(biāo)。

2.1.6 膨脹和除膠均過度

現(xiàn)象描述：如圖6所示，懸銅量大，樹脂凹蝕嚴(yán)重，玻纖凸出，孔壁異常粗糙，電鍍銅層偏薄。

圖6 玻纖凸出與銅薄Figure 6 Glass fiber protrusion and thin copper coating

解決對(duì)策：檢查膨脹和除膠槽液溫度是否在工藝范圍內(nèi)，超聲振動(dòng)是否太強(qiáng)，設(shè)備傳送速率是否偏低(板在藥液段中的浸泡時(shí)間過長)，板材是否有異常，必要時(shí)測試除膠量，看是否超標(biāo)。

2.2 有機(jī)導(dǎo)電膜問題

2.2.1 調(diào)整太弱

現(xiàn)象描述：如圖7所示，電鍍銅層覆蓋不完整，鍍層厚度自孔口向內(nèi)明顯下降，基銅上的鍍銅層也很薄。

圖7 孔內(nèi)銅薄和孔破Figure 7 Thin copper coating in hole and hole void

解決對(duì)策：調(diào)整劑含量不足或溫度過低，應(yīng)提高調(diào)整劑濃度或溫度，并檢查調(diào)整段設(shè)備有無異常。

2.2.2 調(diào)整效果不好

現(xiàn)象描述：如圖8所示，電鍍銅層厚度足夠，但未能完整覆蓋孔壁，孔破主要發(fā)生在玻璃纖維處。

圖8 孔內(nèi)玻纖處孔破Figure 8 Hole void on glass fiber in hole

解決對(duì)策：調(diào)整劑效果不佳，應(yīng)更換其他調(diào)整劑。

2.2.3 引發(fā)不足

現(xiàn)象描述：如圖9所示，孔形正常，孔內(nèi)電鍍銅層逐漸變薄，有“螃蟹腳”，即孔角有裂縫，但無膠渣殘留。

圖9 孔銅漸薄，有“螃蟹腳”Figure 9 Copper thinning with crab pincers

解決對(duì)策：檢查引發(fā)槽液濃度、溫度是否在工藝范圍內(nèi)，設(shè)備傳輸速率是否太快而導(dǎo)致板在藥水段中處理的時(shí)間過短，噴嘴是否有堵塞。

2.2.4 引發(fā)槽內(nèi)有氣泡

現(xiàn)象描述：如圖10所示，孔形和孔內(nèi)鍍銅厚度均正常，個(gè)別孔的底部斷銅。

圖10 個(gè)別孔底銅破Figure 10 Copper breaking at the bottom of some holes

解決對(duì)策：一般情況下是引發(fā)槽內(nèi)有氣泡造成的，檢查引發(fā)槽的噴流泵和管道是否漏氣。

2.2.5 聚合不足

現(xiàn)象描述：如圖11所示，孔形正常，孔內(nèi)電鍍銅層有變薄跡象，盲孔下部有斷銅(俗稱“斷脖子”)，孔角電鍍完好。

解決對(duì)策：檢查聚合槽液濃度、溫度等是否在工藝范圍內(nèi)，設(shè)備傳輸速度是否過快而導(dǎo)致板在藥水段處理時(shí)間過短，噴嘴是否有堵塞。

圖11 孔銅“斷脖子”Figure 11 “Broken neck” on copper coating in hole

2.2.6 聚合老化

現(xiàn)象描述：如圖12所示，孔內(nèi)電鍍銅層逐漸變薄，特別是玻璃纖維處和盲孔底部有螃蟹腳，底銅上鍍銅層薄。

圖12 孔銅薄和螃蟹腳Figure 12 Thin copper coating with crab pincers

解決對(duì)策：檢查聚合槽液換缸周期，并測量導(dǎo)電膜方阻是否在工藝范圍內(nèi)，必要時(shí)更新槽液。

2.3 電鍍問題

2.3.1 電鍍前氧化

現(xiàn)象描述：如圖13所示，孔壁的電鍍銅層正常，孔底鍍銅層逐漸變薄，孔中部沒有上鍍。

圖13 孔底氧化而不上銅Figure 13 No copper coating on base copper by oxidation

解決對(duì)策：孔底清潔不足，檢查鍍銅前處理是否正常，如除油劑濃度、溫度是否在工藝范圍內(nèi)，微蝕量是否足夠(一般控制在 0.5 ～ 1.5 μm)。

2.3.2 電鍍氣泡

現(xiàn)象描述：如圖14所示，孔內(nèi)電鍍銅層不連續(xù)，孔口內(nèi)凹，孔內(nèi)呈圓形，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)孔均無銅層。

圖14 氣泡造成孔銅不良Figure 14 Bad hole copper coating caused by gas bubble

解決對(duì)策：檢查前處理除油槽參數(shù)是否正常，電鍍槽液噴流是否正常，噴嘴是否有堵塞，過濾/循環(huán)泵、循環(huán)管有否漏氣，過濾泵是否產(chǎn)生微氣泡。

2.3.3 電流密度過高

現(xiàn)象描述：如圖15所示，板面電鍍銅層粗糙，孔內(nèi)銅層薄，深鍍能力差，孔底銅層薄甚至出現(xiàn)螃蟹腳。

解決對(duì)策：檢查電流密度是否過高，電鍍夾具導(dǎo)電是否良好，有無發(fā)熱現(xiàn)象，電鍍添加劑含量是否正常。

圖15 深鍍能力低致使孔銅薄Figure 15 Thin copper coating caused by poor throwing power

3 結(jié)語

孔導(dǎo)通化工藝是印制電路板制造的核心，無論是傳統(tǒng)的化學(xué)鍍銅工藝還是直接電鍍工藝，都存在各種各樣的缺陷和問題，需要工程技術(shù)人員在生產(chǎn)過程中加以改善，并能根據(jù)以前出現(xiàn)問題的原因分析做好預(yù)防措施。

導(dǎo)電聚合物最大的特點(diǎn)就是節(jié)能環(huán)保，流程短，沒有負(fù)載問題，可水平作業(yè)，操作簡便，運(yùn)作成本低，是比較理想的化學(xué)鍍銅替代工藝。相信隨著導(dǎo)電聚合物工藝的研究和改進(jìn)，這個(gè)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的電路板制造工藝能得到廣泛的應(yīng)用和推廣。

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