印制电路板酸性电镀铜电镀添加剂的应用及其机理研究

发布时间：2020-03-25 17:29

【摘要】：印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)是电子产品的必要组成部分,是支撑电子产品中电子元件的载体,其广泛应用于不同种类的电子器件中。随着社会的不断进步,人类所追求的电子产品快速向微型化、便捷化、智能化方向发展,拥有高密度互联的多层印刷电路板(HDI-PCB)是制造这些复杂电子产品的重要成分之一。目前,为了满足社会要求,所需PCB盲孔孔径不断缩小,孔的深径比越来越大,对PCB电镀工艺的要求更高。而盲孔孔金属化是PCB电镀的核心,是实现多层电路板层与层之间连接的重要路径之一,也是目前PCB生产工艺中非常重要而成熟的技术之一。但在直流电镀过程中,由于盲孔内电流密度分布不均,孔口电流密度较大,容易出现封孔现象,导致盲孔填充质量下降。因此,为了获得良好的盲孔填充性能和均匀的铜镀层,镀液中采用添加有机添加剂的方式是非常有效而经济的。为此,本文以微盲孔填充电镀铜添加剂为主要研究目标,首先对盲孔电镀添加剂的各种成分进行预筛选并通过电镀试验验证该组合添加剂体系并与之确定;其次,研究了各种添加剂成分对PCB微盲孔填铜效果的影响及其性能表征。详细研究内容及相关结论如下:1、盲孔电镀添加剂的筛选及体系确定(1)通过对大量学者以往研究内容进行比较分析,确定了适宜的卤素离子(Cl~-)、加速剂(聚二硫二丙烷磺酸钠:SPS)和抑制剂(聚乙二醇8000:PEG-8000)。(2)借助筛选金属缓蚀剂的手段筛选出合适的电镀整平剂(4,6-二甲基-2-巯基嘧啶:DMP,2-硫代巴比妥酸:TBA),通过原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)测试并结合量子化学计算和分子动力模拟探究了DMP和TBA分子在铜表面的吸附行为和吸附机理,证明了它们可以通过嘧啶环平行吸附于铜的表面,使得进行电化学反应的有效面积减小,铜的表面沉积速度越慢,沉积层也就越均匀,从而有利于微盲孔的填充,也间接性的证明了它们可能是一种潜在的,有效的电镀整平剂。(3)将DMP和TBA分子分别与Cl~-、SPS、PEG-8000结合,组合成两组不同的复合添加剂体系进行电镀实验验证,并进一步证明了DMP和TBA分子均是一种有效的电镀整平剂,能够使得微盲孔成超级填充模式填充。2、各种添加剂成分对PCB微盲孔填铜效果的影响(1)研究了Cl~-、SPS、PEG-8000和填充效果更好的DMP在不同质量浓度下对微盲孔电镀铜填充效果的影响。结果表明:当Cl~-为30~60mg/L,SPS为0.5~1.0mg/L,PEG-8000为100~300mg/L,DMP为1~7 mg/L时,微盲孔填充效率最好。(2)在其他添加剂存在的情况下,Cl~-在低浓度下可以与PEG-8000和DMP发生相互作用而抑制铜的沉积,在高浓度下与Cu~+反应生成CuCl而加速铜的沉积。(3)从从场发射扫面电镜(FE-SEM)和X射线衍射仪(XRD)测量结果可以看出,当低浓度的DMP加入到含有30 mg/L Cl~-,1.0 mg/L SPS和200 mg/L PEG-8000的电镀溶液中,可以获得一个均匀,光亮,致密的镀铜表面,但随着DMP浓度的增加,铜的表面出现大量的蝌蚪状晶体,且铜的(111)晶面生长方向占绝对主导地位。(4)在研究添加剂之间的相互作用时,我们可以看出,当Cl~-单独加入到基础镀液中时,其能通过改变铜离子沉积的反应历程来加速铜离子在阴极表面的沉积;随后加入DMP和PEG-8000到电镀溶液中,其减缓了铜离子在阴极表面的还原,抑制了铜离子的沉积;当SPS加入到电镀溶液中,其能增进铜离子在阴极表面的还原,加快铜的沉积。但且仅仅只有当4种添加剂同时加入到基础镀液中时,才能够使得微盲孔呈超等角沉积模式填充。(5)以盲孔填充率为指标,经正交实验对添加剂用量进行优化,得到添加剂的最优组合为:Cl~-:30mg/L,SPS:1.5 mg/L,PEG-8000:200mg/L,DMP:1mg/L。采用此组合配方进行PCB盲孔电镀铜时,平均填充率达到91.2%,所得铜镀层表面结构均匀、致密,浸锡热冲击和抗高低温循环的性能良好,满足PCB的可靠性要求。
【图文】：

示意图,局部结构,电路板

电路板概况制电路板电路板（Printed Circuit Board, PCB）是电子产品中不可或缺的，是承载电子产品中电子元件的母板[1-2]。几乎所有的电子设备智能手机、平板电脑以及可穿戴设备，大到电脑计算机、军用国器系统，只要有集成电路，电阻电容等电子元器件，都要以印现他们之间的互连[3]。实现电子元件之间的互连、互通，印制电路板通常由绝缘基材通孔、盲孔、埋孔）组成。其中，通孔是连通整个电路板的导直连接到底层，而盲孔是指位于电路板的顶层或底层表面，拥于表层线路和相邻内层线路连接的一种，只能在电路板一侧被孔，则是一种被埋在电路板中间的孔，它的作用是实现电路板联[4]。图 1.1 是 PCB 整体及局部结构示意图。

工艺流程图,工艺流程,覆铜板,印制电路板

挠结合印制电路板。具体包括单面印制电路板，双面印制电路板等等。电路板制造工艺及流程制电路板工艺技术的不断发展，制造方法各式各样，但制作工：减成法（也称铜蚀刻法）和加成法（也称添加法）。其中，加法和全加成法，工艺上经常采用半加成法。是印制电路板制作过程中最常用、工艺技术最为成熟的制作方丝网漏印法或光化学法在覆铜箔板的铜表面上，通过贴膜，曝图形转移上去，然后再用化学腐蚀的方法将不需要的部分铜蚀作所需要的图形。其工艺流程一般为：覆铜板→贴膜→曝光→（见图 1.2）。然而，在覆铜板蚀刻过程中，由于各个方向的蚀通过该方法制作的线路会存在严重的侧蚀和蚀刻不净现象，导、开路、短路等问题，影响电子产品的可靠性[5-7]。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN41;TQ153

【参考文献】