沉铜 化学镀铜PTH[致远书屋]

1、化学镀铜（PTH）Chapter 1 沉铜原理(Shipley)一 概述化学镀铜：俗称沉铜，是一种自身催化氧化还原反应，可以在非导电的基体上进行沉积，化学镀铜的作用是实现孔金属化，从而使双面板，多层板实现层与层之间的互连，随着电子工业的飞速发展对线路板制造业的要求越来越高，线路板的层次越来越多，同一块板的孔数越来越多，孔径越来越小，这些孔的金属化质量将直接影响到电气的性能和和可靠性。二 去钻污原理：1 去钻污的必要性：由于钻孔过程钻嘴的转速很高，可达1618万rpm，而环氧玻璃基材为不良导体，钻孔时会在短时间内产生高温，高温会在孔壁上留下许多树脂残渣，从而形成一层薄的环氧树脂钻污，由于此树脂钻

2、污与孔壁的结合力不牢，当直接沉铜时，就会影响化学铜与孔壁的结合力，特别是多层板，会影响化学铜层与内层铜的导通，去钻污就是清除这些残渣，改善孔壁结构。2 去钻污方法的选择：利用碱性KMnO4溶液作强氧化剂，在高温下将孔壁树脂氧化，这种处理不仅可以除掉这些钻污，而且还可以改善孔壁树脂表面结构，经过碱性KMnO4处理后的树脂表面被微蚀形成许多孔隙，呈蜂窝状，这样大大促进了化学铜与孔壁树脂的结合力，此法是目前去钻污流程使用最广泛的方法，具有高稳定性，既经济又高效，管理操作简便。3 去钻污原理：溶胀：Swelling利用有机溶剂渗入到孔壁的树脂中，使其溶胀，形成结构疏松的环氧树脂，从而有利于碱性KMnO

3、4的氧化除去，一般的溶胀剂都是有机物，反应条件要求高温及碱性环境。需采用不锈钢工作液槽。MLB211膨胀剂是淡黄色，不混浊，不易燃的水溶液，含有有机物（10%左右的已烯基丁二醇丁乙酸），对树脂有一定的溶解作用，但主要作用是使环氧树脂溶胀，溶胀剂不与树脂起直接反应，但随着长时间的高温处理，溶胀剂易老化而需更换，换缸视生产量而定，一般为6000m2/次。去钻污Desmearing：反应原理：在碱性及高温条件下，KMnO4对溶胀的树脂起氧化作用。4MnO4 -+C+4OH-4MnO42- +CO2 +2H2O此反应需在316不锈钢或钛材料工作槽中进行，同时存在副反应：2MnO4- +2 OH-2Mn

4、O4 2-+1/2 O2 + H2O4MnO4-+ 2H2O4MnO2 + 3O2+4OH-KMnO4的再生：要提高KMnO4工作液的使用效率，必须考虑将溶液中的MnO4 2-再生转变为MnO4 -，目前普遍采用的是电解再生法，再生器利用的是阴极为大面积的不锈钢柱形圆筒，阳极为钛材料，其与阴极的面积比很小，MnO4-2-在阳极表面发生的反应为MnO4-2-eMnO4- 。使用450550A的整流器，由于MnO4 2-不断地氧化成MnO4 -，因此工作液中不需大量添加KMnO4原料，它的少量添加是为了平衡工作液的带出损耗，因而大大降低了生产成本，使用较长时间的工作液在槽底会形成沉淀，需定期清除，

5、以保证处理效果。MLB214D为树脂蚀刻促进剂，可提高KMnO4的树脂蚀刻能力，提高工作液的润湿性，减少孔内气泡，其为白色粉末状固体。还原：工作原理：经碱性KMnO4处理过的板面残留有MnO4 -，其具有的氧化性会对后续的工作槽污染，会令其失去应有的作用，需对其进行还原中和处理。反应为MnO4 -+ H2O2 +H+MnO42- +H2O +O2MLB216是浅黄色，不易燃，强酸性的水溶液，其PH值低于1.0。三 化学沉铜原理1 除油：（Conditioner）工作原理：在钻孔时，孔壁和铜箔表面有油污，同时也可能有手指印，它们都会影响镀铜层与基体的结合力，甚至沉不上铜，所以必须进行清洁处理。调

6、整：由于在钻孔时，高速磨擦产生静电荷，使孔壁带上负电荷，这样不利于吸附带负电性的胶体钯催化剂，通常在清洁处理液中加入阳离子型表Page 1面活性剂，以提高孔壁对胶体钯的吸附。2 粗化：（Micro Etch）原理：为保证化学铜与基材铜层的结合力，要对基铜进行微蚀，在酸性环境下过硫酸铵与基铜反应：S2O8 2-+Cu2SO4 2-+ Cu2+粗化度一般控制在0.81.2um/min，粗化时间一般为2 min。微蚀速率（um/min）=失重（g）*11.2/（总面积dm2*处理时间min）蚀刻速度与溶液中Cu2+含量关系可用图表示：从图中可看出，当Cu2+含量大于7g/L，蚀刻速率保持恒定，新开缸

7、的微蚀液，开始时较慢，可以加入4g/L的硫酸铜，或保留25%的旧液。为保证微蚀效果，要求定时测试铜的微蚀速率，并及时补充过硫酸铵。微蚀速率随温度的升高而升高，为保持速率均匀一致，应设置温控系统。3 预浸（Predip）：原理：后续的活化液对水有一定的敏感性，水的积累带入会引起活化液成分的较大变化，影响活化效果，甚至分层。所以通常在活化前先将印制板浸入预浸液处理，预浸液是与活化剂相配套使用的。预浸槽与活化槽的成分基本相同，区别在于预浸槽中不含活化剂钯。酸性胶体钯预浸液成分：SnCl2 ：30g/L、HCl：30ml/L、NaCl：200g/L、脲素：50g/L。C/P404是一种白色的酸性盐粒状

8、掺合物，1%溶液的PH值大约为2 。4 活化： 活化反应机理：溶液中的Sn2+和Pd2+的浓度为2：1时所得到的活化液活化性能最好，因此时Sn2+和Pd2+在溶液中反应形成不稳定的络合物， Pd 2+ 2Sn2+PdSn26+Pd+Sn4+Sn2+在30时，PdSn26+络离子歧化反应12min，大约有90%以上的络合离子被还原成金属钯，它们呈现出极其细小的金属颗粒分散在溶液中，当加入大量Sn2+的和Cl-时，这些细小的钯核表面上很快吸附大量的Sn2+的和Cl-，形成带负电的胶体化合物 Pd（SnCl3）-，这些胶体化合物悬浮在溶液中（负 负相斥），不会沉聚，胶体钯在酸性环境中较稳定，当表面带

9、正电荷的印制板浸入处理液后，胶体钯会很快被基材吸附，而完成活化处理。活化处理过的印制板，在水洗时，表面的SnCl2水解形成碱式锡酸盐沉淀。 目前市售的胶体钯活化剂大多为盐基胶体钯。PdCl2：1g/l、NaCl：250g/l、SnCl2：12。8g/l、HCl：40ml/l、Na2SnO3：2g/l脲素：50g/l。 CAT44浓缩液是一种不易燃，酸性，深褐色的液体，每公升大约含钯4。7g，比重约1。2。 注意：活化缸含胶体钯，价格很贵，不能往缸内加水，否则会引起整缸胶体钯水解分层。5 加速： 原理：经活化处理的板面表面上吸附的是以钯核为中心的胶团，此胶团在水洗时，SnCl2水解成碱式锡酸盐沉

10、淀，包围在钯核表面，在化学沉铜之前，必须除去表面的沉淀，以使钯核露出来，从而实现沉铜过程的催化作用。 加速处理不仅提高了胶体钯的活化性能，而且去除了多余的碱式锡酸盐化合物，从而显著提高了化学镀铜层与基体间的结合强度。 加速处理的实质是使碱式锡酸盐溶解，可用酸也可用碱处理，如用5%的NaOH或1%的HBF4处理12min。处理时应严格控制浓度、温度、时间。浓度低、时间短、温度低则碱式锡酸盐不能完全溶解，钯核不能露出来，沉铜反应不能进行，浓度过高，温度过高，时间长，则不仅碱式锡酸盐溶解，还会导致钯核的脱落，同样造成沉铜反应不能顺利进行。加速剂ACC19：其作用是调节被吸收的催化剂，使化学铜能迅速而

11、均匀地沉积，同时促进化学铜与基铜的结合力，把催化剂的带入影响减至最低限度，从而延长化学铜的使用期。6 化学镀铜：成分及作用：铜盐 253A CuSO45H2O 提供铜离子 络合剂 253E EDTA 络合铜离子，减缓沉积速率 还原剂 甲醛 HCHO 可以有选择性的在活化过的基体表面自催化沉积铜 PH值调节剂 NaOH 甲醛在强碱条件下才具有还原性，因此必须加入适量的碱。 添加剂：溶液中存在微量的Cu+，其歧化反应形成的铜粉具有催化作用，易加速化学铜溶液的分解。添加剂能络合Cu+，减小Cu+的干扰。反应机理：正常反应为 2HCHO+4OH-+Cu2+Cu+2HCOO-+H2O+H2 从反应式可看

12、出，溶液必须为强碱性，HCHO的还原能力取决于碱性强弱，即PH值。在碱性中，必须有足够的络合剂，以稳定Cu2+不致生成 沉淀。溶液中的相应成分必须保持相应的一定比例。同时反应必须有催化剂的催化作用。Page 2副反应： 不管镀铜液使用与否，总是存在以下两个反应：Cu2O的生成：2Cu2+HCHO+5OH-Cu2O+HCOO-+3H2O Cu2O +H2O2Cu+2OH- 2Cu+Cu2+Cu 形成的铜粉是分子量级的，分散于溶液中，这些小颗粒具有催化能力，当铜粉数量较多时，就会引起沸腾式的反应，导致溶液迅速分解。HCHO与NaOH的反应：2HCHO+OH-HCOO-+CH3OH 对于放置不用的化

13、学铜液，几天后，因歧化反应，HCHO变成CH3OH和HCOOH，且消耗大量的NaOH，溶液PH值变低，因此放置不用的溶液重新起用时，必须重新调整HCHO和PH值，特别是HCHO含量小于3g/L时，会加速Cu2O的生成，加速铜液的分解。化学镀铜沉积速率： 沉积速率（um/h）=增重（g）*11.2*60/（总面积dm2*时间min）。Cu2+对速率的影响：沉铜速率随Cu2+浓度增加而加快，当CuSO4在10g/L以下时，几乎是成正比例增加，超过12g/L，沉积速率不再增加，反而会造成副反应，使化学铜液不稳定。络合剂：络合剂的浓度一般控制在相当于Cu2+浓度的11.5倍左右，在此范围，络合剂的浓度

14、对沉积速率影响很小。还原剂：HCHO还原电位随HCHO含量增加而升高，当浓度大于8ml/L时，还原电位上升很缓慢，当浓度低于3ml/L时，沉积速率降低，同时副反应加剧，在实际应用中HCHO浓度控制在812ml/L。PH值的影响：反应必须在一定的PH值下才能产生，由于不同的络合剂对Cu2+的络合常数不同，这种差别造成了反应需要的PH值也不同，如用EDTA-2Na作络合剂，最佳反应所需的PH值为12.5，当PH值低于规定值0.1单位时，反应虽能进行，但金属化的镀层存在砂孔或局部大面积沉不上铜，当PH值过高时会产生粗糙的化学镀层，而且溶液会快速分解。PH值在11.05时反应开始进行，随PH值升高，速

15、率先加快后降低，在12.5时速率最快，且镀层外层最好。添加剂：络合Cu+，而不络合Cu2+，但会加快沉积速率。温度：温度提高则沉积速率快，但过高，副反应也加剧，造成溶液分解。搅拌；搅拌同时包括打气，连续过滤，工件移动等措施，这些都能减少浓差极化，提高沉积速率，并有利于化学铜液的稳定，正常生产时注意要24h打气。维护： 化学铜液每周需倒槽清洗并过滤，并用硫酸和双氧水泡槽。注意倒槽时溶液仍要加温。 一般地，在停产条件下也要打气，以免放置时间过长而分解。若长时间停产，则需把PH调至9.8以下才可停止打气。 每班均要做分析并调整（4h/次）。Chapter 2 化学沉铜和全板电工艺流程及技术参数化学沉

16、铜和全板电工艺流程为： 去毛刺（手动浸酸放板刷板高压水洗水洗烘干出板）上板膨松水洗*2除胶水洗*2预中和中和水洗*2除油热水洗水洗*2粗化水洗*2预浸活化水洗*2加速水洗沉铜水洗*2下板柠檬酸防氧化上板水洗酸洗电铜水洗下板烘干（酸洗水洗吹干烘干）。一 FR4板材的化学沉铜工艺流程1 去毛刺：作用：磨刷去掉板面毛刺及其它脏污，高压水洗冲去孔内树脂残渣。有效成分：酸浸： 35%的硫酸， 常温，1020min。 刷板： 300500# 尼龙磨刷，上下各一个。 水洗： 自来水（PH=69，电导率300us/cm）操作参数：水洗： 压力7kg/cm2，循环水洗。 磨刷： 调整压力2.02.5A 烘干温度

17、：6080，换缸操作：浸酸：每班/次， 排放清洗干净配槽。 水洗：每班/次。 排放清洗干净使用时加满水。去毛刺机操作：先开总水阀，总电源开关。 然后依次开传送，磨刷，摇摆，高压水洗，烘干等开关。 调节烘干温度为6070，高压水洗压力为7kg/cm2，输送速度为1.52.5m/min。Page 3 根据板厚，选用同一厚度的废光板做磨痕试验，磨痕宽度要求为1015mm。 磨痕合格后，即可放板生产，板与板间隔为2cm以上，左右交叉放板以均衡压力。 关机顺序与开机顺序相反，注意磨刷要放松，以免长期受力变形。磨痕试验方法： 正常开机，关磨刷，摇摆。 待光铜板输送至磨刷位置，关输送，开启磨刷510sec。

18、 关掉磨刷，开启传送，正常送出。 检测磨痕宽度，要求上下一致且各个磨痕整体宽度一致，反之，则继续调整。设备保养：磨刷更换：3month/次，传送，水缸，风刀清洁，1week/次，喷嘴清洁，1 day/次， 高压水洗压力检查，4h/次。2 膨胀：作用： 使孔内树脂残渣溶胀，以利于碱性高锰酸钾的氧化。有效成分；MLB211 开缸量70L 强度 80120% 最佳100% NaOH 开缸量40L 碱当量0.70.9N 最佳0.8N操作参数：温度 6580 最佳78 有温控。 摇摆 45cm幅度 频率 1620次/min。 过滤 510um PP材料 25循环量/h成分分析：100m2耗量添加2.5L MLB211， 0.85L NaOH（300g/L） 频率：3 次/week MLB211： 原理：通过相分离，根据有机物液相体积（ml）来确定槽液强度。 试剂：NaOH CP级。 步骤：取样50ml于100ml量筒中，加入约10g Na