直接电镀工艺的应用

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摘要：
本文叙述了Neopact直接电镀工艺的应用，包括工艺过程及控制，各参数对溶液性能的影响，品质检验，废水处理等。该工艺稳定可靠，控制容易而且环境污染小，废水处理简单，可以取代传统化学沉铜工艺，投入规模生产。
3 p7 X+ Q& W' }* L+ T前言
自从1963年IBM公司Mr.Rodovsky提出直接电镀的基本的理论以来，这项全新的技术引起了人们的高度重视，并在印制板行业得到了飞速的发展和应用。众所周知，传统的印制板化学沉铜工艺具有其自身无法克服的缺点：（1）含有甲醛这一致癌物质，严重影响操作者的身体健康，污染环境；（2）含有大量的络合剂，致使废水处理困难；（3）自身氧化还原体系，容易自发分解，难以控制等。直接电镀工艺则具有化学沉铜不可比拟的优越性：不含甲醛，EDTA等络合物，污染小，容易控制，成品率高，废水处理简单，所以直接电镀也称为"环保电镀"。
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直接电镀经过近四十年的发展，如今已形成了成熟的工艺技术，其化学品也相继商品化，如Atotech公司的Neopact,LeaRonal公司的Comductron,Blasberg公司的DMS-E,Shipley公司的Crimson,Electro Chemical公司的Shadow等，四川超声印制板公司采用了Neopact直接电镀工艺。
1 r% y% m8 S9 t" F: {工艺过程及控制
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0 o' J" q! z0 Q9 q1 Y5 T+ g1.工艺流程

# Y* U1 ~* S' C6 p该公司采用的是垂直式Neopact直接电镀工艺，其流程如下：
0 I% n' a; ~7 V9 q, H) J; J  B调整Ⅰ――调整Ⅱ――二级DI水洗――微蚀――二级水洗――预浸――吸附――二级DI水洗――后浸――二级DI水洗――浸H2SO4 酸――板镀铜－二级水洗――烘干

2.直接电镀工序的作用
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调整Ⅰ：主要是清洁表面，去除油污，并兼有使基材极化的作用。
调整Ⅱ：主要是调整孔壁，使带负电荷的绝缘表面转变为带正电荷，提高孔壁对带负电荷的胶体钯活化剂的吸附能力。
微蚀：彻底清除印制板表面的氧化层，并产生一定的均匀细致的微观粗糙度，从而提高铜面的附着力。
2 ^" ~/ l- F+ w  j/ M' g预浸：保护活化液，防止杂质，氧化物带入活化液，延长活化液的使用寿命。被吸附在带正电荷的孔壁绝缘层表面，提供均匀而稠密 的钯晶体，为镀铜奠定基础。
! e' _( I" `+ K3 X后浸：去除钯周围的有机络合物及还原剂，显著提高钯层的导电能力，从而确保在大面积的非导体表面也能获得有效而可靠的直接电镀层。

3．工艺参数的影响
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& D4 O. Z! V5 p: J为了更好地控制工艺过程，提高产品质量，我们需要弄清各个工艺参数对品质及槽液性能的影响，现结合质量及生产经验将其总结如 下，供同行参考。
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1.调整
. w5 U" O* r3 C  O" x) L* h, BNeopactUX浓度：过低时覆盖能力差，背光级数低，对于板厚大于2mm的板将会出现中央环形空洞。过高时，覆盖能力极好，但会影响到镀层与基铜间 的结合力，内层互连缺陷增加。
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# B/ {9 R; h, P7 ]( k% `1 I" NpH值：过低时覆盖能力差，当pH值低于范围0.5-1时，这种缺陷就非常明显肉眼可见。过高时，溶液中有机物降解加快，寿命缩短，并需经常补加。

2 ?$ J2 p0 b/ O- I温度：过低时覆盖率降低，但影响较小，肉眼不易发现，如板子在不润湿的状态进入时，小孔湿润性将会受到影响，从而影响到小孔的调整效果。
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0 U0 I! U1 ?% R) N铜含量：在处理板子的过程中，溶液中的铜离子会不断增加，但它对覆盖能力的影响极小，即使铜离子浓度很高，其影响也很难在标准的FR－4板上发现。

7 W8 |: m" V, {0 I2．微蚀
Part A 浓度：过高时，微蚀速度过高，从而造成内层铜箔的负蚀，溶液中铜离子浓度增加很快并缩短溶液寿命；过低时，清洁效果差，铜与铜之间的结合力差。
) L8 {5 H7 N6 X  u, n. o. [
, Z; b8 M3 T8 ~3 R, O3 l, B  bPart B 浓度：过高时，对覆盖能力有一些影响；过低时，清洁效果差。铜含量：过高时，Part消耗极快，而且清洁效果差。

8 ~* R! Q3 M4 C" @. Z; ]3 _1 ^温度：过高时，微蚀速率高，铜溶解快，重新开缸频率高；过低时，清洁效果不佳。
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3. 预浸
: ?4 C# v- m; n6 g& A磷酸浓度：过高时，直接导致吸附液pH值超标。

温度：过高时，溶解铜太多，直接导致吸附液中的铜离子增加。
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铜含量：过高时，带入吸附缸，直接影响吸附效果，缩短吸附液 的寿命。

; ]7 }7 _2 S: g+ V& w* t; S2 O4.吸附
7 X1 R8 ^# G6 _, F钯浓度：过低时，覆盖率及溶液稳定性均会受到影响，并对铜与铜之间的结合力有负面影响，当钯浓度低于150ppm时，将导致不可挽回的损失并需要重新开缸。过高时，高达350ppm都不会有负面影响，只是成本增加。
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温度：过高时，覆盖率稍好，但会缩短溶液寿命。过低时，覆盖率降低，还原剂的添加剂反应迟钝。  
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氧化还原电位：过高时，胶体老化加快。如果这种情况时间较长，将导致不可挽回的损失；覆盖率，铜与铜之间的结合力逐渐恶化，最终导致溶液沉淀和或褪色。当氧化还原电位低于－300mV时，还原剂消耗量极大并有氢气排出，覆盖率受到严重影响。

0 }# ^/ @5 A" K+ \' V! ]! W; l! Z4 S6 HpH值：过高时，覆盖率欠佳但影响不大。过低时，胶体老化加快，当pH低于1.4 时，覆盖率极差，尤其是在玻璃纤维表面；同时氧 化还原电位会超出范围，并且不能通过添加还原剂使其复原。
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铜含量：过高时，氧化还原电位极不稳定，很难保持要求范围之内，而且铜极易沉积在氧化还原电极表面，影响电位的测定。铜含量过高，也会缩短溶液寿命，降低覆盖率并引起镀层结合力问题，铜的绝对浓度高和铜的增长速度快（>50mg/L/周）都有较大的影响。

5．后浸：
( S& {. @1 f4 A7 h( W后浸剂浓度：过低时，覆盖率会有所降低。过高时，没有负面影响。

pH值：本溶液是一种稳定的缓冲体系，溶液呈碱性时，对镀层不会有影响，如果呈酸性将导致溶液分解失效。
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" j4 X: W" C# X/ a( \6．板镀铜：
由于吸附的钯层有一定的电阻，这就要求电流密度要比传统化学沉铜后镀铜大，一般控制在2.0-2.5A/dm2,电镀时间15min，镀层可达0.3mil。添加剂方面，有机添加剂过量添加对覆盖率有影响，所以添加剂的添加一般应控制在下限。过多的光亮剂也会引起环状空洞，另外后浸剂的带入还会造成拐角裂纹(Coner cracks)
& F+ c. |6 r& C工序成份控制范围ml/L 时 间分 温 度℃ PH 分 析频 率 消 耗 量ml/m3 药 水 寿 命m2/L
调整Ⅰ调整剂UX缓冲剂50-6050-60 5－7 60 11－12 两天一次 2020 4
  p( [- W! D( T) N) |$ L( B9 I8 M调整Ⅱ调整剂UX缓冲剂70-8070-80 5－7 55 11－12 两天一次 1515 4
/ D& I( r' n1 }微蚀 Part A Part B 15-20 1.5-2.5 25 每日一次 30g/m230g/m2 Cu2+>15g/l
预浸 H3PO4(85%) 1.5-2.0 1-2 室温 2－2.3 每周更换
) {; |3 O- W1 `# Z2 q- X) q吸附基本剂还原剂 Pd:200-250ppm氧化还原电位－230～－290mv 5-7 55 1.6－2.3 每日一次303还原剂自动添加每日600ml(450 升溶液) Cu2+>100mg/L 或30
& S4 G  ?4 f' Z, u后浸后浸剂 180－220 2-3 30 10-12 两天一次 25 8
酸浸硫酸 100 <1 室温每周更换
+ @! E" m: |) O2 o9 U9 m6 I6 E酸性镀铜硫酸铜硫酸氯离子添加剂CP 60－80g/L100-12040-70ppm1-3 15-20 25 每周两次 113L/1 万ALL
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' i: m* r. _6 `3 j, z8 T工艺参数的控制体会
, j2 s" H& l; w; r& t' X, u& P1．溶液稳定性较好，产品质量也很稳定；
2．调 整Ⅰ， 调 整Ⅱ的作用各有侧重，所以调整Ⅰ的温度，pH值比调整Ⅱ高，而调整Ⅱ的Neopact UX浓度比调整Ⅰ高，这样控制其效果会更好一些；另外，调整Ⅰ中Neopact UX消耗相对较快一些，应注意补加；
& |/ c8 \3 d, R; h$ s. ?3．调整剂可以用化学方法分析，这给控制带来了方便；
/ C$ ?* W/ p/ h, [6 [3 R4．Part A part B选择性微蚀体系，微蚀后细致均匀，清洁程度较好；
4 j: Z6 R! T3 G* j2 m" Y5．吸附胶体钯配制简单，而且可以直接添加DI水调整液位；
+ P: i, w! E2 y8 ^) K$ s& K6．后浸液稳定性好，变化较慢；
9 a; c; |9 b( x/ K7 d3 J7．整个体系操作范围宽，控制容易；
8．Neopact直接电镀工艺对清洗水的要求较高，清洗水需采用不含NaCIO的市水或DI水。
0 r& |" h( f3 k  ?品质检验
% H. U2 t! a, y2 Y反映直接电镀成败的主要特征就是电镀铜时铜的沉积速度，孔壁及无铜区的覆盖完整程度。
; c7 R) @( \& v6 L+ b0 `, J6 Q* V# L# b1.直接电镀检验方法
为了检查直接电镀的效果，我们设计了一种专用试验板（双面板），板中有三排分别为∮0.8，0.6，0.4的孔和事先蚀好的圆形（∮3～14）及长方形（4×50mm）无铜区，两面图形完全一样。
$ Z: J# d* z1 k0 L! a9 A& f先试验板按正常程序走完直接电镀，然后在试验室里进行浸还H2SO4――板面电镀――水洗――吹干――背光试验。
板面电镀的条件为：电流密度2－2.5A/dm2，2分钟，室温，空气搅拌，阳极为磷铜板。这些条件与生产线完全一样，只是电镀时间短。
* m% G6 \' Y. p- V% @* ?( `* V电镀过程中可以观察无铜区的上铜情况，在直接电镀较为正常的情况下，电镀30秒无铜区便可基本覆盖完全。
+ B" D% W$ m' n3 m  u- M, y电镀结束经水洗吹干后，可以凭肉眼或借助检孔镜观察板面，无铜区或孔壁的覆盖情况。如果孔壁没有空洞，无铜区覆盖完全，说明直接电镀很正常，可以进行生产。当然，观察孔壁是关键，无铜区可能由于夹具等问题致使板子两面供电不一致而使部分无铜区不能完全覆盖，事实证明这种情况（孔壁覆盖完全）也是完全可以进行生产的。
% o- V, Y; t7 V# _5 @- V( w经肉眼观察如有疑问，可以做背光试验进一不验证。实践表面直接电镀正常时其背光级数通常可以到10级。
/ T+ P  h8 A9 }5 g- Y如果孔壁有空洞，背光级数低说明直接电镀有问题，需观察孔壁的具体情况，分析原因并有针对性的调整溶液。
6 t  F# H! H. ]3 R5 \/ m9 A镀层性能测试
  Y0 t1 V$ N$ [: f将直接电镀的板件按正常工艺进行以后的工序生产，最后对蚀刻后及成品镀层进行如下试验。
1．耐热冲击试验
按照IPC－TM－659（288摄氏度，10s，三次）对成品镀层进行耐热冲击试验，结果表面及孔内镀层无分层断裂情况，镀层整体光亮；对蚀刻后镀层进行288摄氏度/10s/五次〕热冲击，结果孔内镀层无分层，断裂情况。
2．拉脱强度
7 R8 E* N  [4 N6 ?按照GB4677.3－84进行无焊盘金属化孔拉脱强度试验，结果全部合格。
废水处理
& E# C5 J6 ]5 @& _! r& O, \% ~Neopact直接电镀废水处理也非常简单，普通的废水处理站即可完成，其具体的处理方法如下：
6 G$ u, |/ ?' h  e' U, f  C% p1．洗涤水：
各种槽液带出的洗涤用水可以直接送到中和系统中中和沉淀。
9 B4 U, L6 u. |" ~9 x2.调整液：
首先用水按5：1的比例稀释溶液，再用NaOH溶液调节pH＝10，加粉末Na2S2O8250g/100L, 反应1.5小时后加入15％的Na2S溶液，直至在硝酸铅试纸上出现浅棕色，在pH＝9时进行过滤，滤出溶液可以放入最后中和的废水中。
3.微蚀液
+ E* f; `. O. c4 }5 `2 H  O# x加入亚硫酸钠，直至槽液中氧化剂完全分解后进行中和处理即可。
4.预浸液
可以直接进行中和处理。
9 m% K3 Z$ }, b% c; Y5.吸附液
可以直接进行中和处理。
6.后浸液
2 s: g( q  Z+ m9 U9 }+ A将溶液用水稀释3倍后，加10％的Na2S溶液，直至醋酸铅试纸变黄为止。然后加石灰乳剂使pH＝12，并加入CaCI2溶液，使之最佳凝聚，最后过滤，并将滤液pH值调到6.5～9.5即可。
结论
1.该工艺控制范围宽，操作简单，溶液稳定，维护简单。
' r, T0 z0 w; J: d2.质量稳定可靠，孔内无铜率可以为零；镀层性能好，完全可以取代传统化学沉铜。
3.该工艺环境污染小，废水处理溶液。
4.该工艺可以投入大规模生产。
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直接电镀工艺的应用

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