PCB板鍍層技術(shù)研究進(jìn)展

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院如東分院 顧曹陽

江蘇理工學(xué)院材料研究所 錢海峰 雷衛(wèi)寧

PCB板鍍層技術(shù)研究進(jìn)展

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院如東分院 顧曹陽

江蘇理工學(xué)院材料研究所 錢海峰 雷衛(wèi)寧

PCB板表面鍍層質(zhì)量是決定其本身性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。概述了幾種常用金屬材料鍍層技術(shù)的有關(guān)理論、工藝及應(yīng)用，并指出了今后PCB鍍層技術(shù)研究的重點(diǎn)。

PCB；鍍層；研究進(jìn)展

0 引言

印制電路板（Printed Circuit Board，簡稱PCB）是在絕緣基材上，按照電路原理圖，制成印制線路，并為印制元器件之間提供電氣連接的成品板。現(xiàn)代印制電路技術(shù)始于上世紀(jì)四十年代，英國人Eisler利用印制后的電路板首次制造出了收音機(jī)[1]；之后，印制電路的技術(shù)不斷升級(jí)更新，隨著集成電路的高速發(fā)展以及環(huán)保意識(shí)的強(qiáng)化，PCB板表面涂層的性能和印制環(huán)境進(jìn)一步提高，PCB板也進(jìn)一步向更高密度、高平整化、小孔徑、小焊盤化發(fā)展[2-4]。PCB板鍍層技術(shù)是制備高性能印制電路板的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前常用銅、錫、鎳等幾種鍍層金屬[5,6]。

1 鍍銅技術(shù)

銅層具有較好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械延展性，是PCB板最常見的鍍層金屬之一。目前，孔內(nèi)銅鍍層連接、銅層厚度均勻性和填孔鍍銅是PCB板上鍍銅的核心問題[7]。

謝金平[8]在普通酸性銅電鍍液中分別加入不同量的含氮雜環(huán)聚合物通孔電鍍銅添加劑，用以電鍍厚徑比達(dá)到10的小孔，結(jié)果表明當(dāng)添加劑含量為2.5mg/L時(shí)，銅電鍍液的通孔均鍍能力達(dá)到85.6%。肖發(fā)新等人[9]研究了BSP、PPNI、ABSS、PN四種添加劑濃度對(duì)酸性銅鍍層質(zhì)量的影響規(guī)律，結(jié)果表明銅鍍層光亮區(qū)隨著四種添加劑的增加呈現(xiàn)駝峰分布，最佳添加濃度分別為24mg/L、20mg/ L、0.02mg/L、20mg/L；混合添加劑作用下，陰極銅峰電流降至37A/cm2，峰電位負(fù)移至80mV；銅鍍層表面光滑、晶粒細(xì)小、分布均勻，且銅在晶面（111）上擇優(yōu)生長。申曉妮等[10]利用次磷酸鈉化學(xué)鍍銅體系取代甲醛化學(xué)鍍銅體系，研究發(fā)現(xiàn)次磷酸鈉鍍銅體系穩(wěn)定性更加優(yōu)越，在混合添加劑輔助下，可于80℃下穩(wěn)定近48h；在最優(yōu)條件下鍍速可達(dá)5.1um/h，銅鍍層致密均勻，工作20min后銅鍍層達(dá)到背光10級(jí)。秦佩等[11]針對(duì)PCB上微盲孔電鍍銅填平提出互連工藝技術(shù)，主要研究加速劑TPS、抑制劑PEG和整平劑硫脲及胺類化合物對(duì)微盲孔電鍍填平的影響規(guī)律，結(jié)果表明對(duì)微盲孔填充率的影響最大的是TPS，且當(dāng)TPS為5mg/L，PEG為2500mg/L，硫脲為25mg/L及胺類化合物為400mg/L時(shí)，孔填平率最大。楊瓊等[12]提出運(yùn)用一種催化活性更好的銀活化液，有效提高化學(xué)鍍銅的誘導(dǎo)時(shí)間，節(jié)約了成本。遇世友等[13]將PCB板碳導(dǎo)電后進(jìn)行鍍銅處理，發(fā)現(xiàn)鍍液中石墨含量占總含碳量的20.0%，且經(jīng)10分鐘電鍍后銅層覆蓋面積可達(dá)95%，PCB板上孔內(nèi)銅鍍層厚度均勻，和外壁結(jié)合力良好。

2 鍍錫技術(shù)

由于電鍍錫鉛+熱風(fēng)整平(HAL)工藝具備簡單、性價(jià)比高以及操作性強(qiáng)等有點(diǎn)，早起PCB板鍍錫主要采用此工藝，但技術(shù)的革新和環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，促進(jìn)PCB板鍍錫新工藝的發(fā)展。目前，國內(nèi)外PCB采用化學(xué)鍍錫這一綠色表面涂覆工藝，其主鹽大多采用甲基磺酸鹽[14]，絡(luò)合劑以檸檬酸為主，主要采用硫脲及其衍生物的混合劑，再配以一定的還原劑，得到的錫鍍層效果較好[15]。從表1中可以看出[16]，烷基磺酸鹽體系的錫鍍液，其本身易分解且毒性小，制得的錫鍍層結(jié)晶細(xì)密、表面致密平整，因此應(yīng)用范圍更廣。

表1 兩種化學(xué)鍍錫鍍液比較

張著等[17]人研究了OP乳化劑對(duì)甲基磺酸亞錫鍍液的影響，結(jié)果表明：OP乳化劑能顯著提高還原Sn2+的陰極過電位；OP乳化劑和光亮劑組合使用能極大提升鍍液的極化曲線，得到的鍍錫層表面平整光亮、結(jié)晶致密，如圖1所示。李漢明等優(yōu)化了甲基磺酸鍍錫工藝，得到的銀白色錫鍍層厚度為0.8～2.0μm，且可焊性能良好。梅天慶等[18]在錫鍍液中添加貴金屬配合物K2[PdF6]，強(qiáng)化Sn2+離子的還原，從而提高鍍層厚度。

圖1 錫鍍層表面形貌SME圖

3 鍍鎳及鎳金技術(shù)

鍍鎳技術(shù)在PCB板表面印制工藝中作用明顯，鎳鍍層具有良好的電學(xué)性能、可焊性和抗蝕性能，因此應(yīng)用越來越廣泛。

江俊鋒等[19]在哈林槽內(nèi)對(duì)鎳鍍層厚度和均勻性展開研究，結(jié)果表明在電流密度取值在2.5～3.0A/dm2范圍內(nèi)，電鍍時(shí)間選取合理，則鍍層厚度均勻性較好；當(dāng)鍍液中選取NiCl2·6H2O為16g/L，Ni(NH2SO3)為400mg/L，H3BO3為248g/L，pH為4.2時(shí)，鍍鎳層表面質(zhì)量最佳。孟昭光[20]分析了相關(guān)影響鎳金層孔隙率的因素，得到孔隙率較低的鍍層。胡光輝[21]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)連接銅盤的尺寸越小，更易發(fā)生鎳漏鍍現(xiàn)象；由于電勢差的存在，內(nèi)部銅面或地線與銅點(diǎn)或線等相連時(shí)，易發(fā)生漏鍍現(xiàn)象。劉海萍等[22]研究分析了前處理工藝對(duì)PCB板鎳鍍層性能的影響，發(fā)現(xiàn)溫度為35℃、酸洗時(shí)間為5min時(shí)，PCB板表面油污清洗效果好；在30～40℃條件下活化3min，所得PCB化學(xué)鍍鎳層無漏鍍現(xiàn)象。

4 其他鍍層技術(shù)

胡立新等[23]選擇甲基磺酸作為化學(xué)鍍銀的酸性體系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)AgNO3濃度為2.5g/L,甲基磺酸含量為12%wt，化學(xué)鍍時(shí)間為5min時(shí)，銀鍍層平整光亮，平均厚度約為0.16μm，適用于PCB上的焊接處理。董明琪等[24]開發(fā)了無氰化PCB板化學(xué)鍍金工藝，研究發(fā)現(xiàn)此工藝鍍金速率穩(wěn)定、PCB板上金鍍層均勻性好、材料成本可控，而且過程環(huán)保。劉彬云等[25]在化學(xué)鍍鎳磷層的基礎(chǔ)上添加納米顆粒，初步完成納米復(fù)合化學(xué)鍍制備電路板的沉鎳金工藝，發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米顆粒添加量在合理范圍內(nèi)時(shí)，鎖制備的納米復(fù)合沉積層厚度均勻、性能優(yōu)越。

5 結(jié)語

就目前而言，PCB鍍層技術(shù)還存在著一定的局限性，導(dǎo)致其工程化運(yùn)用受到制約。但是未來電子信息工業(yè)的飛速成長，也必將極大地推動(dòng)PCB板鍍層技術(shù)的發(fā)展，滿足PCB板更高密度、高平整化、小孔徑、小焊盤化等要求。作為影響PCB板性能優(yōu)劣的關(guān)鍵之一，PCB鍍層技術(shù)將是未來電子信息行業(yè)重要研究和應(yīng)用對(duì)象。

[1]周春陽.印刷線路板[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003,20-44.

[2]A.N.Correia,M.X Facanha,P.Lima-Neto.Cu-Sn coatings obtained from pyrophosphate-based electrolytes[J].Surface & Coatings Technology,2007,201:7216-7221.

[3]丁志廉.PCB技術(shù)的革新與進(jìn)步[J].印制電路信息,2007,9:19-23.

[4]孫武.PCB上化學(xué)鍍錫工藝的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[5]A.Survila.Codeposition of Copper and Tin from Acidic Sulfate Solutions containing Polyethylene glycols Effect of length of the hydrocarbon chain[J].Solid State Electrochemical,2008,6:1433-144.

[6]J.M.LongZ.Zhang,Z.C.Guo,et al.Electrochemical Study of the additive-effect on Sn Electrodeposition in a Methane-suffocate Acid Electrolyte[J].Advanced Materials Research,2012,460(7):7-10.

[7]林金堵,吳梅珠.PCB電鍍銅技術(shù)與發(fā)展[J].印制電路信息,2009,12: 27-32.

[8]謝金平.PCB通孔鍍銅添加劑[J].印制電路信息,2012,7:21-24.

[9]肖發(fā)新,曹島,孟志廣,毛建偉,楊滌心,申曉妮.添加劑對(duì)PCB酸性銅鍍層質(zhì)量及鍍液性能影響[J].中國表面工程,2011,24(2):74-79.

[10]申曉妮,任鳳章,趙冬梅,肖發(fā)新.基于PCB的次磷酸鈉化學(xué)鍍銅研究[J].材料科學(xué)與工藝,2012,20(3):17-23.

[11]秦佩,陳長生.PCB微盲孔電鍍銅填平影響因素研究[J].電子工藝技術(shù),2012,33(5):277-280.

[12]楊瓊,陳世榮,汪浩,曹權(quán)根.銀活化液在PCB化學(xué)鍍銅的研究[C].2013秋季國際PCB技術(shù)/信息論壇,116-119.

[13]遇世友,謝金平,李樹泉,黎德育,李寧.印刷電路板碳導(dǎo)電處理后直接電鍍銅[J].電鍍與涂飾,2014,33(17):723-729.

[14]McKenney,J.Darryl,J.Arthur,at el.Process for Providing Bond Enhancement and an Etch Resist in the Fabrication of Printed Circuit Boards.UP6645549.11,2003.

[15]Holtzman,Abraham,M.Relis,at el.Use of Immersion Tin and Tin Alloys as a Bonding Medium for Multilayer Circuits.UP4882202.11,1989.

[16]陳春成.銅基上化學(xué)鍍錫工藝研究[J].電鍍與精飾,2002,24(5):20-22.

[17]張著,龍晉明,郭忠誠,姜妍妍,李遠(yuǎn)會(huì).添加劑對(duì)甲基磺酸鹽鍍錫液性能的影響[J].電鍍與環(huán)保,2011,31(5):13-16.

[18]梅天慶,馮輝.采用催化劑的化學(xué)鍍錫新工藝的研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2002,34(3):262-265.

[19]江俊鋒,何為,陳苑明,何彭,陳世金,郭茂桂,劉振華,譚澤.影響PCB鍍鎳層厚度和均勻性的因素及工藝優(yōu)化[J].電鍍與精飾,2015,37(1):5-9.

[20]孟昭光.PCB鍍鎳金孔隙率探討[J].印制電路信息,2013(1):53-58.

[21]胡光輝,潘湛昌,魏志鋼.PCB化學(xué)鍍鎳漏鍍現(xiàn)象分析[J].印制電路信息,2010,6:45-48.

[22]劉海萍,畢四富,李寧.前處理工藝對(duì)印刷線路板表面化學(xué)鍍鎳/置換鍍金層性能的影響[J].電鍍與環(huán)保,2011,31(5):20-23.

[23]胡立新,占穩(wěn),寇志敏,武瑞黃,歐陽貴.PCB上化學(xué)鍍銀的研究[J].表面技術(shù),2008,37(5):45-48.

[24]董明琪,李德良,徐天野,劉靜,董振華.一種新的PCB無氰化學(xué)沉金工藝[J].表面技術(shù),2011,40(1):104-106.

[25]劉彬云,黃輝祥,王恒義.納米化學(xué)復(fù)合鍍的開發(fā)及在PCB制造中的應(yīng)用研究[J]印制電路信息,2013(1):8-13.

顧曹陽（1989—），在職碩士，初級(jí)工程師，主要從事PCB板研發(fā)繪制及控制過程設(shè)計(jì)。