導電聚合物直接電鍍技術(shù)

陳新強

（安美特（中國）化學有限公司上海青浦分公司，上海 201707）

1 前言

孔金屬化是PCB生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。其傳統(tǒng)工藝是采用化學鍍銅作為電鍍銅的基底導電層。盡管此工藝已頗為成熟，卻仍存在諸多不足之處[1][2]：（1）使用了列入限制使用的化學品HCHO（甲醛），不僅對生態(tài)環(huán)境有危害，而且有潛在的致癌風險；（2）使用Pd、Cu等金屬，成本高；（3）化學鍍銅溶液中EDTA等絡(luò)合劑不易進行生物分解，水處理困難，排放后易造成水污染；（4）工藝復雜，加工時間較長。因此人們一直致力于取代傳統(tǒng)化學鍍銅工藝的直接電鍍技術(shù)的研究。直接電鍍技術(shù)在PTH工藝的認可和應(yīng)用已經(jīng)超過了17年。直接電鍍技術(shù)按導電材料主要分為三大系列[3][4]：（1）導電聚合物系列；（2）鈀鹽或鈀化合物系列；（3）碳黑系列。其中較為成功的工藝之一是導電聚合物系列直接電鍍技術(shù)[5][6]。本文就用Atotech公司導電聚合物直接電鍍技術(shù)Ecopact CP工藝加以概述。

2 Ecopact CP工藝背景及機理

導電聚合物即導電高分子聚合物[7]。 所有的導電高分子都屬于所謂的“共軛高分子”。由長鏈的碳分子以sp2鍵鏈結(jié)而成。由于sp2鍵結(jié)的特性，使得每一個碳原子有一個價電子未配對，且在垂直于sp2面上形成未配對鍵。相鄰原子的未配對鍵的電子云互相接觸，會使得未配對電子很容易沿著長鏈移動，從而形成導電高分子。有聚乙烯、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚對苯乙烯，以及它們的衍生物。

相比于其它幾種導電聚合物，聚噻吩具有高導電率和高穩(wěn)定性等特性，是導電聚合物電鍍技術(shù)的理想物質(zhì)[8]。Ecopact CP工藝就采用聚噻吩作為導電物質(zhì)。工藝原理如下：（1）PCB經(jīng)過調(diào)整工藝在通盲孔的玻璃纖維和樹脂上形成一層具有親水性的有機膜；（2）含有高錳酸鹽的酸性催化溶液通過氧化作用在親水性的有機膜上在形成一層致密的MnO2；（3）具有共軛雙鍵和聚合能力的噻吩單體應(yīng)用在覆有MnO2的表面時，在酸性環(huán)境中，這種化合物單體的電子轉(zhuǎn)移到MnO2上，自身發(fā)生了聚合，借助它的共軛雙鍵形成具有導電極性高分子聚噻吩。在形成的這種聚噻吩的導電帶中，電子可以在電場方向移動形成電流（圖1）。在反應(yīng)過程中，MnO2則會轉(zhuǎn)變?yōu)槟苋苡谒亩r錳化合物，不會殘留在PCB中。

3 Ecopact CP工藝流程

采用聚噻吩作為導電聚合物的Ecopact CP工藝流程簡單，只需四步（圖2）。

（1）微蝕清潔（Etch Ceaner）：清潔并粗化銅表面，確保良好的銅銅結(jié)合；除去鉆孔中產(chǎn)生銅渣和釘頭。

（2）調(diào)整（Conditioner）：潤濕、清潔和調(diào)整玻璃纖維和樹脂表面，使之得到親水的表面。

（3）氧化（Adhesion Promoter）：在調(diào)整過的玻璃纖維和樹脂表面（不會在Cu面上）形成一層均勻致密的MnO2，做為生成導電聚合物聚噻吩的催化劑。

（4）導電膜聚合（Polyconduct）：在MnO2的催化及反應(yīng)下，在玻璃纖維和樹脂表面形成高分子導電聚合物層—聚噻吩。

圖1 噻吩單體（左）和聚噻吩在電場作用下的導電示意圖（右）

4 Ecopact CP工藝監(jiān)控及質(zhì)量評估

Atotech公司生產(chǎn)的水平線Uniplate CP可以實現(xiàn)完全的自動監(jiān)控。所有工作槽都采用自動控溫系統(tǒng)，溫度通過控制面板設(shè)定控制在操作范圍中，超出范圍會自動報警。所有工作槽的化學品濃度都通過自動添加系統(tǒng)進行控制，自動添加系統(tǒng)能使化學品濃度穩(wěn)定在操作范圍中，當然所有的自動監(jiān)控和自動添加系統(tǒng)均離不開化學分析實驗室的配合。有機導電膜槽的pH通過在線pH計控制在1.8～2.2之間。

對生成的高分子導電聚合物的質(zhì)量評估主要有三種方法：

（1）電阻測試：裸露樹脂的測試板經(jīng)過Ecopact CP工藝沉積一層導電膜，然后直接用萬用表測量樹脂上間隔1 cm的兩點之間的電阻。一般來說，電阻小于20 kW即為合格（當然，不同材料的樹脂的電阻會有很大差別，有些樹脂的電阻甚至低于3 kW）因此在制程的控制上我們建議選擇同一種樹脂進行電阻測試來監(jiān)控制程的穩(wěn)定性。

（2）背光測試：有孔的測試板經(jīng)過Ecopact CP工藝，然后在2 A/dm2的電流下電鍍5 min，觀察孔里的背光情況，背光大于D8級即為合格（圖3）。

圖3 背光測試示意圖

（3）電鍍覆蓋測試：采用專門設(shè)計的測試板（圖4），表面上有面積依次增加的裸露樹脂區(qū)域。這種測試板經(jīng)過Ecopact CP工藝，然后在2 A/dm2的電流下電鍍5 min，觀察電鍍銅可以完全覆蓋到第幾塊區(qū)域，以此來監(jiān)控Ecopact CP生產(chǎn)線的狀態(tài)。

圖4 電鍍覆蓋測試板示意圖

5 Ecopact CP工藝優(yōu)勢

Atotech公司開發(fā)的Ecopact CP導電聚合物直接電鍍技術(shù)跟傳統(tǒng)PTH及其它直接電鍍技術(shù)相比具有很多優(yōu)勢。

5.1 環(huán)保優(yōu)勢

從環(huán)保方面來看，Ecopact CP工藝與傳統(tǒng)PTH工藝相比優(yōu)勢明顯：

（1）簡短的工藝流程：設(shè)備長度減少50%以上，減少2段藥水槽，減少1段水洗槽（圖5）。

圖5 傳統(tǒng)PTH與Ecopact CP工藝流程和設(shè)備長度比較

（2）消耗少量的水和化學品：減少69% DI 水使用；減少100%軟水使用；減少90% 的絡(luò)合劑使用；減少31% 氧化性化學品使用；減少97% 其他化學品使用（圖6）。

圖6 傳統(tǒng)PTH與Ecopact CP工藝水和化學品消耗量比較

（3）產(chǎn)生少量的廢水：沒有高濃度堿性廢水的產(chǎn)生；減少97% 高濃度絡(luò)合物廢水；減少75% 高濃度酸性廢水；減少12% 高濃度氧化性廢水；減少69%絡(luò)合物水洗廢水（圖7）。

（4）不使用有害化學品，比如甲醛，氰化物；不使用EDTA，僅使用少量的絡(luò)合劑。

5.2 技術(shù)優(yōu)勢

圖7 傳統(tǒng)PTH與Ecopact CP工藝廢水量比較

Ecopact CP工藝技術(shù)成熟，已經(jīng)通過大多數(shù)OEM的認證，有著突出的技術(shù)優(yōu)勢：（1）真正的“選擇性”工藝，內(nèi)層銅表面不會沉積高分子導電聚合物。與其直接電鍍工藝（碳黑，導電鈀）相比，很大程度上避免內(nèi)層銅與導電膜之間出現(xiàn)縫隙的風險，而與傳統(tǒng)的PTH相比，有著良好的內(nèi)層銅與電鍍銅的結(jié)合（圖8）；（2）避免銅顆粒問題的產(chǎn)生，比如避免表面銅顆粒/銅瘤問題和盲孔/通孔堵孔問題；（3）適合多層板的生產(chǎn)；（4）水平線、垂直線均可應(yīng)用；（5）兼容通孔板（MLB）和盲孔板（HDI）。

5.3 成本優(yōu)勢

傳統(tǒng)的PTH工藝需要6步，而Ecopact CP工藝只需要4步。設(shè)備方面，Ecopact CP工藝設(shè)備長度僅為傳統(tǒng)的PTH工藝的一半左右，設(shè)備所需空間小，設(shè)備投資成本低；藥水方面，化學品種類少，而且沒有貴金屬Pd、Cu的使用，生產(chǎn)成本低。

5.4 操作優(yōu)勢

Ecopact CP工藝過程中的高分子導電聚合物的形成和固著在一步完成，工藝控制十分簡單，所有工藝步驟的處理時間很短，工藝操作性好，是真正的“傻瓜”制程。

6 結(jié)語

三十年的改革開放，在我們經(jīng)濟騰飛發(fā)展的同時也付出了極大的代價—生態(tài)環(huán)境日益惡化，環(huán)境問題已經(jīng)成為一個不可回避的重要問題。近年來，政府對環(huán)境保護越來越重視，并提出把我國建設(shè)為綠色發(fā)展—資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。導電聚合物直接電鍍技術(shù)作為綠色環(huán)保的新技術(shù)必將在PCB行業(yè)里得到廣泛應(yīng)用。

[1]L. Joseph. Printed circuit board industry[J].International Journal of Hygiene and Environmental Health, 2006,3:211-219.

[2]王麗麗. 印制板直接電鍍工藝[J]. 電鍍與精飾,1998,1:10-13.

[3]F. Hanna, Z. Abdel Hamid, A. Abdel Aal. Direct electroplating on printed circuit boards[J]. Metal Finishing, 20014:51-54.

[4]劉義. PCB孔金屬化幾種制作工藝的分析[J]. 印制電路信息, 2004,6:29-30.

[5]H. Meyer, R.J. Nichols, D. Schr?er, L. Stamp. The use of conducting polymers and colloids in the through hole plating of printed circuit boards[J].Electrochimica Acta, 1994,8-9:1325-1338.

[6]J.W. Schultze, H. Karabulut. Application potential of conducting polymers[J]. Electrochimica Acta,2005,7-8:1739-1745.

[7]李福燊. 非金屬導電功能材料[M]. 北京:化學工業(yè)出版社, 2007:315-317.

[8]Gy?rgy Inzelt. Applications of Conducting Polymers[P].Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2012: 245-293.