影響撓性板黑孔化工藝效果的因素探究

江俊鋒 何 為 馮 立（電子科技大學微電子與固體電子學院，四川 成都 610054）劉振華 郭茂桂 王嬌龍（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514000）

影響撓性板黑孔化工藝效果的因素探究

江俊鋒 何 為 馮 立
（電子科技大學微電子與固體電子學院，四川 成都 610054）
劉振華 郭茂桂 王嬌龍
（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514000）

黑孔化效果的好壞直接決定導(dǎo)通孔鍍層的電氣連接性能，對撓性板的孔型、孔徑大小、板材厚度等影響因素進行了研究，并通過電鍍后的熱應(yīng)力試驗進行表征，探討了影響印制板黑孔化工藝效果的外在因素。結(jié)果表明：在鉆孔后形成無鉆屑、均勻的孔型有利于黑孔化工藝；在不同粘結(jié)層厚度的情況下，得出粘結(jié)層較薄的剛撓結(jié)合板的黑孔化效果較好，而粘結(jié)層較厚的剛撓結(jié)合板黑孔化效果表現(xiàn)為大孔徑效果要優(yōu)于小孔徑。通過電鍍后的孔銅厚度變化，揭示了黑孔液的導(dǎo)電性與電鍍藥液交換速率的相互作用機理。

黑孔化；孔型；碳黑/石墨；熱應(yīng)力試驗

隨著印制電路板（PCB）布線密度越來越高，層間起導(dǎo)通作用的孔徑和徑深比越來越小，對孔金屬化技術(shù)提出了更高的要求?；瘜W鍍銅工藝存在許多的問題[1][2]：（1）鍍銅中的還原劑為甲醛，對生態(tài)環(huán)境的危害極大，可能有致癌的風險；（2）鍍銅過程中產(chǎn)生氫氣，極易造成孔內(nèi)有空洞；（3）工藝復(fù)雜，鍍銅液成分有銅鹽、絡(luò)合劑、還原劑、PH值調(diào)節(jié)劑和各種添加劑，它們的相互作用機理比較復(fù)雜而難于控制；（4）工藝流程長，需要較長的時間才能完成化學鍍銅；（5）除甲醛外，其它成分如絡(luò)合劑、添加劑的污染也比較嚴重，污水處理困難。所以，研究孔金屬化直接電鍍工藝具有極其重要的意義。

直接電鍍技術(shù)按導(dǎo)電材料分類，基本上可歸納為三種類型[3]：（1）鈀系列（以鈀或其化合物作為導(dǎo)電介質(zhì)）—通過吸附Pd膠體或鈀離子，使PCB非導(dǎo)體的孔壁獲得導(dǎo)電性；（2）導(dǎo)電性高分子系列（如聚吡咯、聚苯胺）—非導(dǎo)體表面在高錳酸鉀堿性水溶液中發(fā)生化學反應(yīng)生成二氧化錳層，然后在酸溶液中，單體吡咯或吡咯系列雜環(huán)化合物在非導(dǎo)體表面上失去質(zhì)子而聚合，生成緊附的不溶性導(dǎo)電聚合物；（3）碳黑系列—采用物理作用吸附碳黑/石墨粉形成的導(dǎo)電層，即黑孔化技術(shù)。

相比于鈀系列和導(dǎo)電性高分子系列，黑孔化技術(shù)效率更高，工序更簡化，控制因素更少，應(yīng)用也更普遍。關(guān)于黑孔化工藝技術(shù)，陳建良[4]簡述了黑孔化直接電鍍的特點以及黑孔化各工序的組成成分及作用，提供了對于黑孔化質(zhì)量的檢查方法；林均秀等[5]對于超聲波的超聲空化作用在黑孔化工藝流程中改善鍍通孔質(zhì)量，提高產(chǎn)品合格率作出了應(yīng)用研究；遇世友等[6]僅以石墨作為導(dǎo)電基質(zhì)，黑孔處理液中不再含有碳黑，探討了以石墨分散液在孔壁成膜的過程與導(dǎo)電原理。蔡積慶[7]也從黑孔化工藝流程方面對黑孔化各藥液組分及作用作出了詳細的介紹。

總結(jié)以上文獻資料，研究者多集中在對于黑孔化機理和黑孔化工藝線藥水的內(nèi)在影響的研究。但影響黑孔化質(zhì)量的因素很多，PCB板本身的不同狀態(tài)對黑孔化效果的影響研究較少。因此，通過撓性板的鉆孔孔型、粘結(jié)層厚度、孔徑大小等影響因素，對PCB的黑孔化工藝效果進行了探索分析，尋找其各個因素的影響趨勢，并從機理上進行解釋。

1 黑孔化介紹

1.1 黑孔化原理

將精細的石墨和碳黑粉均勻地分散在液體介質(zhì)即去離子水中，利用溶液內(nèi)的表面活性劑使溶液中均勻分布的石墨和碳黑顆粒保持穩(wěn)定，同時具有良好的潤濕性能，使石墨和碳黑能充分的被吸附在非導(dǎo)體的孔壁表面上，形成均勻細致、結(jié)合牢固的導(dǎo)電層，便于后續(xù)直接電鍍過程[8]。

1.2 黑孔化流程

黑孔化主要工藝流程如圖1。

圖1 黑孔化主要工藝流程

1.3 黑孔化質(zhì)量檢查

對于黑孔化后的PCB，判斷其質(zhì)量優(yōu)劣的方法很多[4]。本實驗對黑孔化后的PCB板，在垂直連續(xù)電鍍線（VCP線）進行電鍍，然后進行熱應(yīng)力試驗。使用可焊性測試儀，溫度控制在（288±5）℃、時間10 s，重復(fù)進行三次熱沖擊，然后再制成金相切片觀察孔鍍層實際情況。

2 實驗

2.1 材料與儀器

材料：18 μm / 25 μm / 18 μm PI基材的撓性雙面覆銅板；25 μm厚純膠；18 μm / 100 μm FR-4基材單面覆銅板；50 μm厚半固化片106；75 μm厚半固化片1080；110 μm厚半固化片2116，均為國產(chǎn)。

儀器：機械鉆孔機（南京大量數(shù)控有限公司，NTL-DG6S）；等離子清洗機（南京世峰科技有限公司，SF-P-2000D1500D）；黑孔機（香港宇宙PCB設(shè)備有限公司，11BH15NNAA01）；VCP線（香港宇宙PCB設(shè)備有限公司，11VCP21FPMMSA00）；可焊性測試儀（深圳愛思達電子有限公司，ASIDAKH23B）；金相顯微鏡（深圳愛思達電子有限公司，ASIDA-JX22C）。

2.2 實驗步驟

國內(nèi)LNG接收站使用的浸沒燃燒式氣化器主要依賴進口，目前對SCV在結(jié)構(gòu)上的改進設(shè)計、運行特性的優(yōu)化、傳熱的模擬和計算等方面作出了較多的研究[5-7]，但是對氣化器系統(tǒng)控制方案的研究較少。本研究針對LNG浸沒燃燒式氣化器的運行特點，在分析氣化器水浴溫度特性的基礎(chǔ)上，建立一種溫度串級控制的數(shù)學模型，并在副環(huán)引入Smith預(yù)估補償，將溫度純滯后移到副回路外，對主回路純滯后，再次引入Smith預(yù)估補償，消除主回路純滯后的影響。從某接收站SCV氣化器實際運行的效果看，驗證了該控制方案的有效性。

2.2.1 不同孔型的撓性板的黑孔化過程

將三張PI基材的撓性雙面板和兩張純膠壓合成六層撓性板，且孔徑大小為0.2 mm。為得到不同孔型的撓性板，在鉆孔與清洗環(huán)節(jié)將撓性板分為4組，具體處理過程見表1。

表1 不同孔型的撓性板處理過程

至此，得到4組不同孔型的撓性板，其中1、2、3、4分別為四種孔型板代號。再將撓性板依次在黑線處理，在VCP線電鍍，最后進行熱應(yīng)力試驗。

2.2.2 不同粘結(jié)層的剛撓結(jié)合板的黑孔化過程

（1）以PI基材的撓性雙面板為內(nèi)層，粘結(jié)層分別為純膠、半固化片106、1080、2116，F(xiàn)R-4基材的單面板為外層壓合成4層剛撓結(jié)合板。

（2）對4層剛撓結(jié)合板進行鉆孔，孔徑分別設(shè)計為0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm的通孔，通孔均勻分散于板中部。

（3）經(jīng)等離子清洗后，再將所有剛撓結(jié)合板在黑孔線上處理2次，最后在VCP線上電鍍。

3 結(jié)果與討論

對黑孔化后、電鍍后、熱應(yīng)力試驗后，均進行金相切片分析。

黑孔化后，金相切片圖差別不是很明顯，只是在孔壁上附著一層薄薄的碳黑/石墨層。電鍍后的金相切片差異很明顯，見圖2。（1）和（2）相比，（1）由于黑孔化后碳黑/石墨層附著較多，在相同的電鍍時間下，（1）電鍍層比（2）厚很多，但（1）鍍層很不均勻，說明經(jīng)等離子清洗的孔壁完整性更有利于均鍍；（3）和（4）相比，（3）黑孔時碳黑/石墨層很薄，電鍍相同時間，電鍍層很薄且不規(guī)則，（4）孔壁經(jīng)過等離子清洗，鍍層更厚且均勻，進一步證明了等離子清洗的重要性；（1）和（3）對比，說明鉆污的存在量直接影響著黑孔效果，進而決定后續(xù)電鍍效果。

圖2 電鍍后金相切片圖

圖3 熱應(yīng)力試驗后金相切片圖

從圖3可見，經(jīng)熱應(yīng)力試驗后金相切片圖差異也很明顯。（1）孔上部鍍層與孔壁間出現(xiàn)分離現(xiàn)象，鍍層出現(xiàn)裂紋且只剩薄薄一層，孔口遭到破損；（2）鍍層分離不明顯，只是孔內(nèi)錫層出現(xiàn)空洞裂紋，孔底部靠右處有部分鍍層脫離孔壁；（3）薄薄的鍍層在熱沖擊后，性能相當不穩(wěn)定，孔底兩邊的鍍層均隨錫層而完全脫離孔壁；（4）中鍍層與孔壁結(jié)合力較好，錫層在熱沖擊下只出現(xiàn)微裂紋。

（1）與（2）對比，說明雖然（1）也能達到較厚鍍層，但由于孔壁未經(jīng)等離子清洗，是直接在鉆污上附著碳黑/石墨再電鍍，所以經(jīng)過熱沖擊后，鍍層結(jié)合力不牢從孔壁上脫離開；（3）和（4）對比，也說明等離子清洗對后續(xù)電鍍結(jié)合力影響顯著；（2）和（4）對比，（2）由于報廢鉆刀導(dǎo)致鉆孔過程中部分孔壁受熱過大而碳化，使得孔壁在受熱沖擊時，受熱不均勻而出現(xiàn)鍍層脫離，說明選用新鉆刀鉆孔是更好的選擇。

從上可見，在進行黑孔化以及后續(xù)電鍍前，必須要事先控制好鉆孔的外在因素，黑孔前孔壁清洗干凈且均勻非常重要。

3.2 不同粘結(jié)層的剛撓結(jié)合板的黑孔化過程

實驗中壓合的4層剛撓結(jié)合板板材相同，只是粘結(jié)層不同。由于純膠與半固化片106、1080、2116的厚度不同而呈遞增趨勢，進而得到的4層剛撓結(jié)合板厚度也是逐漸增加。

不同粘結(jié)層的剛撓結(jié)合板，孔銅厚隨孔徑的增大先逐漸減小，再隨孔徑增大而增大，只是不同粘結(jié)層間孔銅厚增大的孔徑點不一致。粘結(jié)層為純膠的剛撓結(jié)合板孔銅厚在孔徑為0.6 mm處開始增大，粘結(jié)層為半固化片106、半固化片1080、半固化片2116的剛撓結(jié)合板孔銅厚分別在孔徑為0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm處開始增大。粘結(jié)層為純膠和半固化片2116的剛撓結(jié)合板通孔共鍍時鍍層差異較大，而粘結(jié)層為半固化片106和1080的剛撓結(jié)合板通孔共鍍時鍍層差異較小。

分析以上現(xiàn)象，主要是因為在通孔電鍍時孔銅厚由板厚及孔徑共同決定。黑孔化過程中，當板較薄時，小孔徑與大孔徑處附著的碳黑/石墨層差別不大，但小孔徑處孔壁的表面積更小，在電鍍時，單位面積上通過小孔徑的電流密度更大，電鍍相同時間小孔徑處鍍層更厚。當板逐漸變厚時，由于黑孔液的低流動性，小孔徑內(nèi)壁附著的碳黑/石墨粉較薄，大孔徑內(nèi)壁附著的碳黑/石墨粉相對較厚。在電鍍時，小孔徑處通過的單位電流密度大但導(dǎo)電性差，大孔徑處通過的單位電流密度小但導(dǎo)電性好，兩者之間表現(xiàn)為碳黑/石墨層的導(dǎo)電性與電鍍藥液交換速率的競爭的交互作用。隨著板厚繼續(xù)增大，厚板的孔壁上附著的碳黑/石墨層均很薄。而電鍍繼續(xù)時，孔壁的導(dǎo)電介質(zhì)也由碳黑/石墨層向銅層轉(zhuǎn)變，但大孔徑內(nèi)電鍍藥水交換更充分，大孔徑上電鍍的優(yōu)越性得以體現(xiàn)。

電鍍后對不同粘結(jié)層的剛撓結(jié)合板進行熱應(yīng)力試驗，結(jié)果顯示粘結(jié)層為純膠和半固化片106、1080的剛撓結(jié)合板無鍍層與孔壁分離現(xiàn)象，粘結(jié)層為2116的板中部分小孔徑切片有鍍層和孔壁分離現(xiàn)象。對于此種高厚徑板，建議采用化學鍍銅及電鍍完成。

所以，對于較薄的剛撓結(jié)合板，可以選擇黑孔化。在保證剛撓結(jié)合板厚度符合要求的前提下，選擇合適的粘結(jié)層，如半固化片106和半固化片1080來控制板厚也是不錯的選擇。

4 結(jié)論

不同的黑孔化效果將導(dǎo)致不同的電鍍效果，進而決定孔銅間能否滿足電性能要求。在不同孔型的撓性板的黑孔化過程中，可得在進行黑孔化前控制好鉆孔的外在因素，形成無鉆屑、均勻的孔型很關(guān)鍵；在不同粘結(jié)層的剛撓結(jié)合板的黑孔化過程中，對于部分較薄的剛撓結(jié)合板，可以選擇黑孔化工藝，當板較薄且電鍍初期，碳黑/石墨層的導(dǎo)電性影響顯著。隨著板厚的增加，黑孔液由于縱深吸附有限，大孔徑電鍍藥液流動交換更快顯示出更大的優(yōu)越性。

[1]段遠富,高四,張偉等. 納米碳孔金屬化直接電鍍技術(shù)[J]. 裝備環(huán)境工程, 2013,10:114-117.

[2]石萍,李桂云. 對印制板孔金屬化直接電鍍工藝的評價[J]. 電鍍與精飾, 1999,6:15-17.

[3]張懷武,何為等. 現(xiàn)代印制電路原理與工藝[M]. 北京:機械工業(yè)出版, 2010.

[4]陳建良. 黑孔化工藝技術(shù)[J]. 印制電路資詢, 2008, 1:73-75.

[5]林均秀,陳國輝等. 超聲波在FPC黑孔化工藝中的應(yīng)用研究[J]. 印制電路信息, 2010,9:31-33.

[6]遇世友,李寧等. 以石墨為導(dǎo)電基質(zhì)的黑孔化新技術(shù)[J]. 印制電路信息, 2012,7:40-43.

[7]蔡積慶. 印制板黑孔化電鍍工藝[J]. 電子工藝技術(shù), 1992, 6:53-56.

[8]喬楠. 利用碳黑/石墨導(dǎo)電層的直接電鍍工藝[J].印制電路信息, 1995,3:24-27.

Research on the influence factors of FPC black hole process

JIANG Jun-feng HE Wei FENG Li LIU Zhen-hua GUO Mao-gui WANG Jiao-long

Black hole process directly determines the electrical connection performance of through-hole plating. In this paper, the factors affecting the flexible board of hole morphology, pore size, board thickness were studied and characterized by thermal stress test after electroplating, so the influence factors that affecting the black hole process of PCB were investigated. The results showed that: it’s better to control external factors well to form a uniform hole without drilling cuttings before performing the black hole process; in the case of different thickness of the adhesive layer, a thinner adhesive layer rigid-flex PCB of the black hole effect was better, and thicker adhesive layer rigid-flex boards showed that the black hole effect of large diameter is more effective than a small one. Through hole copper thickness variation after electroplating, the mechanism of interaction between the conductivity of black hole solution and plating liquid’s exchange rate was revealed.

Black Hole Process; Hole Morphology; Carbon-Black/Graphite; Thermal Stress Test

TN41

A

1009-0096（2014）08-0058-03

江俊鋒，主要研究方向為撓性印制板新技術(shù)。