復合還原法PCB化學鍍銅研究

胡東偉

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南　鄭州　450047）

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復合還原法PCB化學鍍銅研究

胡東偉

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南鄭州450047）

摘要：本文主要研究了復合還原法對PCB化學鍍銅的影響。通過試驗結果分析了不同還原環境變化下對化學鍍銅過沉銅速度和鍍層質量的影響和規律，在最佳工藝條件下獲得了沉積速度快、鍍層均勻，性能優異的鍍層，對綠色PCB制備工藝和深入研究具有重要的參考意義。

關鍵詞：化學鍍銅；印制電路板；復合還原法；次磷酸鈉

目前，化學鍍銅在工業上的應用范圍正在日益擴大，但主要用途仍是電子工業。截止至今，化學鍍銅工藝研究的最主要的應用方向仍是印制線路板的生產制造領域，如PCB鍍薄銅、加法鍍厚銅、圖形鍍等［1］。生活中每種電子產品，小到智能手表，大到通訊電子設備、軍用武器裝備系統，凡是存在集成電路等電子元器件，都要使用印制板。到21世紀初，全世界印制電路生產總值預計約400億美元，并按每年14.4%迅速增長。在其他制造行業，無論是具備裝飾性還是具備功能性的塑料電鍍，都需要化學鍍銅工藝來完成，以保證材料基體獲得良好導電性能的底層進而得到符合要求的鍍層。與其他塑料基體表面金屬化的制造方法相比，化學鍍銅是最經濟簡單的工藝方法［2］。

化學鍍銅的原理是利用合適的還原劑，使鍍液中的金屬銅離子在具有催化活性的基體表面還原沉積出金屬銅,形成銅鍍層的一種工藝［3］。本文從綠色制造和安全生產出發，盡可能消除和降低生產時空氣中的甲醛蒸汽含量，研究并提出了復合還原法對PCB化學鍍銅的影響。

1　試驗方法

1.1試驗儀器與試劑

電子恒溫不銹鋼水浴鍋2臺（DZKW-2，上海路達實驗儀器有限公司），電阻爐1臺，上海大普儀器有限公司），數字酸度計1臺（PHS-25B），鉆石牌機械秒表1個（504型，上海奧旭文體用品有限公司），溫度計1支，移液管、燒杯、電子天平（FA2004N，北京賽多利斯天平有限公司），量筒，玻璃棒、PCB板若干（索林科技）。

CuSO4·5H2O，次磷酸鈉，EDTA-2Na，α-α’聯吡啶，酒石酸鉀鈉（Tart），NiSO4，L-精氨酸，HCHO，三乙醇胺，添加劑A（含氮、硫的雜環化合物，促進劑），濃鹽酸（37%），雙氧水，NaOH溶液，濃硫酸。試驗過程中選用的所有試劑均為分析純，且用蒸餾水配制。

1.2試驗過程

試驗用將PCB板為40mm×40mm試片，進行潔凈處理后，為化學鍍銅做準備，其具體流程如下：試片（PCB）制備→水洗→堿性除油→水洗→粗化→水洗→預浸→活化→水洗→解膠→水洗→蒸餾水洗→化學鍍銅→水洗→吹干→檢測→結果分析。

1.3表征與性能測試

鍍層微觀組織形貌采用JSW-5600掃描電鏡進行觀察。

1.3.1背光級數測試方法。采用試驗用金相砂紙將PCB板粗排孔一側按照圖1所示打磨至圓孔的半徑處，將排孔的另一側邊打磨至距孔邊緣3mm處，然后將鍍件放置于具有投射聚光燈光源的顯微鏡下觀測，根據標準“背光級數”圖像表確定鍍件的背光級數。該背光試驗觀測示意圖如圖1所示。標準“背光級數”圖像表采用10級制。

圖1　背光實驗觀測示意圖

1.3.2鍍速測試方法。對尺寸為4cm×4cm的PCB試片進行化學鍍銅，鍍銅時間為10min，根據重量法確定反應過程鍍速，計算公式如（1）所示：

公式中ρ為鍍銅層的密度，g/cm3；v為鍍速，μm/h；△m為實件鍍后增重，g；A為鍍層面積，cm2；t為施鍍過程的時間，h。

1.3.3鍍層附著力測試方法。根據國標GB 5270-85中1.8“劃線、畫格試驗”進行測試（具體步驟為用刀刃口為30°銳角的硬質鋼劃刀在鍍件上劃邊長為1mm的正方形格子）。

2　結果與分析

2.1不同還原環境下施鍍前后的PCB宏觀形貌

圖2為不同還原環境下施鍍前后的PCB宏觀形貌。圖2a為堿性除油后的PCB板。施鍍前應采用表面光潔無劃痕和粘附物的板材。圖2b是采用濃度為30g/L的次磷酸鈉作為還原劑的鍍后試樣。施鍍工藝條件為：溫度70℃，pH=8.5～9.0（20℃時），反應時間10min。由圖可以看出，現以次磷酸鈉作為還原劑的化學鍍銅工藝在生產中并不成熟。表現在工件鍍層顏色存在發白現象，并且表面顏色不一致，空洞位置內形成鍍層難等不良現象。經計算鍍速為4.30μm/h。主要由于次磷酸鈉在基體表面的催化氧化還原活性較小，鍍液中必須添加再活化劑，以保證反應穩定且快速進行。

圖2c是采用濃度為30g/L的次磷酸鈉+濃度為3ml/L 的HCHO作為復合還原劑的鍍后試樣。施鍍工藝條件為：溫度70℃，pH=8.5～9.0（20℃時），反應時間10min。由圖可知，采用次磷酸鈉作為主還原劑HCHO作為次還原劑時，鍍層的質量得到了明顯的改善；鍍液呈深藍色，清澈透明，鍍速較快，鍍層均勻、光亮，鍍孔質量好。經計算鍍速為5.20μm/h。

圖2　施鍍前后PCB片

2.2不同還原條件下PCB板的背光級數測試結果

圖3為不同還原條件下PCB板的背光級數測試結果。根據查詢背光級數等級圖可知：采用次磷酸鈉（30g/L）施鍍時間為10min時，鍍層局部漏光嚴重，背光級數僅為6.0級，并且鍍層沉積不均；采用復合還原劑且施鍍時間為10min時，鍍層達到9.0～9.5級，當施鍍時間為12min時，鍍層達到最大10.0級。背光級數越大表明鍍層沉積效果越好，即鍍層厚度越好和分布均勻。試驗表明：當施鍍時間大于12min后，鍍層的背光級數不發生變化。

圖3　不同還原條件下PCB片的背光級數測定

2.3不同還原條件下放大倍數為5000×的PCB片SEM圖

圖4為不同還原條件下放大倍數為5000×的PCB片SEM圖。由圖4a可知，采用次磷酸鈉（30g/L）施鍍時間為10min時，鍍層的微觀表面凸凹部位明顯，且顆粒之間的結合力和附著力較差，鍍層不平整，結晶大小分布不均勻，鍍層稀疏。由圖4b可知，采用復合還原劑施鍍時間為10min時，鍍層表面質量得到有效的改善，可以看出表面較為平整，顆粒大小均勻、細致，鍍層更致密，鍍層的結合力和附著力明顯提高。

圖4　不同還原條件下PCB片SEM圖

2.4不同施鍍溫度對鍍速的影響及附著力測試

圖5為其他試驗條件不變下，不同施鍍溫度對鍍速的影響。由圖5可知，隨著鍍液溫度升高，鍍速增大。當施鍍溫度分別為40、50℃時，反應過程較慢、鍍片顏色暗淡，鍍孔存在發黑；溶液溫度為60℃時，鍍速明顯增大，但表面顏色依然暗淡，光亮度差，鍍孔質量不能滿足要求；當施鍍溫度為70℃時，反應過程鍍速快，且鍍層明顯改善，表面光亮、均勻，孔中鍍層也均勻光亮；當鍍液溫度為75℃時，鍍速雖快但鍍液穩定性差，在施鍍過程中，燒杯中有少量紅色固體顆粒析出，鍍后拿出鍍液，發現燒杯中仍有少量氣泡冒出。因為隨著鍍液溫度升高，銅的表觀活化能增加，提高了反應過程沉銅速度；但溫度升高的同時，鍍液中銅離子的自催化作用也不斷加強，加速了氧化亞銅的生成，將促使鍍液的自發分解。由圖6可知，在最佳溫度條件下，鍍銅時間為12min獲得的鍍層經標準測試，PCB上格子的覆蓋層并未從試片上脫落，表明附著力已達到標準。

3　結論

通過采用復合還原法改善化學鍍銅工藝，與傳統純甲醛作為還原劑時相比降低了空氣中的甲醛蒸汽含量，得到了綠色環保、鍍液穩定、鍍速較快，鍍層均勻、光亮，鍍孔質量好的PCB鍍板。施鍍后鍍層微觀組織表面平整，結晶顆粒大小均勻、細致，鍍層更致密，鍍層的結合力和附著力滿足使用要求。

圖5　施鍍溫度對鍍速的影響

圖6　附著力測試

參考文獻：

［1］姜曉霞，沈偉.化學鍍理論與實踐［M］.北京：國防工業出版社，2000.

［2］曾為民，吳純素，吳蔭順.化學鍍銅［J］.南昌航空工業學院學報，1998，11（1）：83-92.

［3］Shi Z Y，Wang D Q，Ding Z M.Nanocrystalline Ni-B coating surface strengthening pure copper［J］.Applied Surface Science，2006，253（3）：1051-1054.

中圖分類號：TQ153.14

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0130-03

收稿日期：2015-12-26

作者簡介：胡東偉（1983-），女，工程師，研究方向：金屬及非金屬表面處理。

The Study of PCB Electro-less Copper Plating Technology by the Mixed Reduction

Hu Dongwei
（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou Henan 450047）

Abstract:The mixed reduction process on the effect of electro-less copper plating technology in the PCB manufacto?ry system was researched in the paper.Through this experiment,the impact of the changes of the main reduction envi?ronment on plating rate and deposits quality were studied，the law of the impact of the various factors come to the plat?ing rate and deposits quality was obtained,and the process parameters were optimized.Then the high quality copper deposits with high plating rate were got.This study has a guiding role on the green industrial production of PCB.

Keywords:electro-less copper plating；PCB；mixed reduction；sodium hypophosphite