LDS材料化學(xué)鍍溢鍍情況的控制及工藝改善

劉陽

(Amphenol-SAA,上海 201108)

LDS材料化學(xué)鍍溢鍍情況的控制及工藝改善

劉陽

(Amphenol-SAA,上海 201108)

最近幾年，在電路加工工業(yè)中, 3D-MID技術(shù)因其設(shè)計(jì)的自由度大、能實(shí)現(xiàn)的功能多、可減少安裝層次和裝配的數(shù)量已廣泛應(yīng)用于通訊行業(yè)領(lǐng)域。但是通過現(xiàn)有化學(xué)鍍工藝在對(duì)被鐳射過的塑膠件表面進(jìn)行化學(xué)鍍銅和化學(xué)鍍鎳時(shí)常常會(huì)有漏鍍、溢鍍、上鍍速率慢等問題，影響產(chǎn)品的良率和企業(yè)生產(chǎn)成本。本文選取LDS產(chǎn)品在化學(xué)鍍過程中的溢鍍情況進(jìn)行跟蹤實(shí)驗(yàn)分析，并根據(jù)一定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)大量化學(xué)鍍步驟方案進(jìn)行比較，選取能夠控制PC及ABS塑膠件表面化學(xué)鍍溢鍍的情況，對(duì)LDS產(chǎn)品生產(chǎn)成本和良率控制有一定積極的指導(dǎo)意義。

LDS材料化學(xué)鍍溢鍍 工藝改善

1 MID-LDS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展概況

3D-MID技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代,從國外發(fā)布的市場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看,目前立體電路在國內(nèi)接近30個(gè)產(chǎn)業(yè)都開始普及,最大的市場在通訊(手機(jī)天線)領(lǐng)域(80%),應(yīng)用前景非常廣闊,市場潛力巨大,而上海安費(fèi)諾通訊有限公司正是在此領(lǐng)域中的佼佼者和領(lǐng)頭羊。

本文選取了較具有代表性的上海弘夏化學(xué)公司在進(jìn)行LDS產(chǎn)品化學(xué)鍍處理的工藝流程:熱堿除油─前處理─水洗─超聲波清洗─酸洗─觸發(fā)銅─水洗─厚銅─水洗─鈀活化─水洗─化學(xué)鍍鎳─水洗─烘干。

2 LDS產(chǎn)品化鍍溢鍍實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選取了較為具有上海安費(fèi)諾公司研發(fā)的有代表性的三種手機(jī)天線產(chǎn)品,分別是:天線A、天線B和天線C,其中天線A和天線B是由聚碳酸酷(PC)和丙稀腈-丁二煉-苯乙稀共聚物(ABS)混合而成,天線C材料為聚碳酸酷(PC)。三種天線產(chǎn)品均為半成品,由LPKF公司激光機(jī)根據(jù)不同天線pattern鐳射而成。每種天線各140片,并從1-140進(jìn)行標(biāo)號(hào)。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.2.1 尺寸的選取與測量

從A、B、C三種天線中分別選取10個(gè)、10個(gè)和14個(gè)較具有典型的重點(diǎn)尺寸。

分別對(duì)每種每片產(chǎn)品的重點(diǎn)尺寸進(jìn)行標(biāo)號(hào)和在放大100倍的顯微鏡下測量。之后對(duì)每片產(chǎn)品的每個(gè)所選尺寸進(jìn)行記錄以作為在未進(jìn)行化學(xué)鍍前的尺寸。

2.2.2 化學(xué)鍍步驟流程

之后將實(shí)驗(yàn)樣品送至上海弘夏化學(xué)進(jìn)行為期兩周的化鍍實(shí)驗(yàn),出于對(duì)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性和均衡性,本次實(shí)驗(yàn)選取每兩天化鍍20片天線/種,一周更換一次化鍍的槽液,以增強(qiáng)化鍍實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和排除他因干擾因素。具體化鍍過程為:化學(xué)除油--Cu-930化學(xué)鍍薄銅--Cu-960化學(xué)鍍厚銅--離子鈀活化--Ni-883化學(xué)鍍鎳--水洗烘干。

2.2.3 化鍍后尺寸測量與統(tǒng)計(jì)

化鍍回來后所有產(chǎn)品均符合MID的電路圖案金屬化工藝表面鍍層要求,即:(1)鍍層厚度符合各產(chǎn)品的化鍍規(guī)格；(2)表面無起泡及開裂現(xiàn)象；(3)電鍍的界痕(毛刺)未超過0．03mm；(4)通過了熱沖擊試驗(yàn)、恒溫恒濕試驗(yàn)及中性鹽霧試驗(yàn)。

化鍍回來后的尺寸通過與未化鍍之前的尺寸相減之差,可以較為直觀的看出LDS產(chǎn)品在化學(xué)鍍后的具體溢鍍情況。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.3.1 化鍍藥水周期對(duì)溢鍍的影響

除了LDS鐳射尺寸可能對(duì)溢鍍產(chǎn)生影響,化鍍藥水的使用周期,包括化鍍藥水的活性以及溶液濃度也會(huì)直接影響溢鍍的情況。每周需將槽液過濾至清潔的槽中,將槽底的沉淀以去銅藥水去除,以保證槽液的化鍍有效性。初期化鍍藥水的活性較高和后期保養(yǎng)不及時(shí),藥水發(fā)生老化導(dǎo)致溢鍍,所以化鍍過程中的工藝維護(hù)至關(guān)重要,適時(shí)補(bǔ)充穩(wěn)定劑和pH調(diào)節(jié)劑以保持槽液的穩(wěn)定性和溶液中離子恒定性。

2.3.2 微觀溢鍍情況分析

通過選取幾片具有典型性的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的部分尺寸,置于QG046顯微鏡下放大100倍觀察,觀察到天線A在pattern拐角處有鎳溢鍍情況,邊上也有星星點(diǎn)點(diǎn)的溢鍍,對(duì)天線RF性能影響較小。天線B存在些許溢鍍,并呈現(xiàn)微小的波峰波谷狀,并不連貫,對(duì)于天線的RF性能影響不大,但是對(duì)尺寸測量有影響。天線C溢鍍相對(duì)來說比較大,有較為明顯的連續(xù)的波峰與波谷,對(duì)天線的RF性能有影響,且會(huì)很大的影響尺寸測量及其平均值。

造成不同產(chǎn)品的這種差異的可能性與產(chǎn)品材料有關(guān),天線A和天線B材料是PC/ABS,而天線C材料是PC。

2.3.3 化鍍厚度規(guī)格對(duì)溢鍍影響

三款天線的化鍍規(guī)格不同,天線A為Cu 6-12 Ni 3-6,天線B為Cu 12-20 Ni 2-4,天線C為Cu 10-18 Ni 2-5,單位:μm。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)象的膜厚和切片圖可直觀的看到其鍍層厚度。不同的化鍍規(guī)格會(huì)對(duì)產(chǎn)品的溢鍍情況造成影響,因?yàn)殄儗虞^厚的產(chǎn)品需要更久的沖擊銅時(shí)間和更高的活性。所以根據(jù)產(chǎn)品的化鍍規(guī)格來控制好化鍍活性與上銅時(shí)間十分重要。

3 控制溢鍍現(xiàn)象的化鍍工藝改進(jìn)

3.1 添加甲醇作鍍銅溶液穩(wěn)定劑

化學(xué)鍍銅溶液并不穩(wěn)定,在化學(xué)鍍銅的過程中需要不斷添加穩(wěn)定劑以保持溶液的穩(wěn)定性。而通過實(shí)驗(yàn)證明,加入甲醇作為穩(wěn)定劑可以有效的控制化鍍槽內(nèi)溶液的自分解,減少工藝維護(hù)中加入穩(wěn)定劑的次數(shù)和量,延長鍍液壽命和增強(qiáng)穩(wěn)定性。

結(jié)果證明,加入甲醇溶液作穩(wěn)定劑對(duì)化學(xué)鍍銅溶液的穩(wěn)定性有顯著的改善作用,在甲醇溶液200～400ml/L時(shí),對(duì)沉積速度無多大影響,而穩(wěn)定性卻隨甲醇含量的提高而增加。所以建議添加作為甲醇穩(wěn)定劑,溶液濃度為200～400ml/L,pH值控制在13～13．5,溫度在32～34°C則為最佳。這樣可使得溶液的穩(wěn)定性大大增加,銅離子的濃度和鍍速都得到了有效控制,溢鍍現(xiàn)象也得到了控制和防范。

3.2 鎳活化替代鈀活化

化學(xué)鍍鎳時(shí)需要先對(duì)化鍍表面進(jìn)行活化處理,活化液對(duì)已上鍍的表面銅離子提供催化活性,催化發(fā)生氧化還原反應(yīng),鎳離子沉積從而達(dá)到鍍鎳的目的。而目前最常用的活化是使用離子鈀活化,鈀具有較高的催化活性,它能夠吸附反應(yīng)物分子,易還原為金屬態(tài)。

3.2.1 浸鎳液的配制

取濃度為15～35g/L的硼酸溶液用硫酸調(diào)整pH值為1并加熱至50～60℃,然后加入濃度為50～150g/L的硫脲溶液和10～35g/L的檸檬酸鈉,之后用硫酸或氫氧化鈉溶液調(diào)整pH值為0．5～1．5,在攪拌的條件下,再加入濃度為10～70g/L的硫酸鎳溶液,混合均勻,得到浸鎳液。

3.2.2 產(chǎn)品前處理

取98%的濃H2SO415～45ml/L、30～80g/L的過硫酸鈉的溶液混合均勻,得到微蝕液。之后按氫氧化鈉的濃度為10～12g/L、碳酸鈉的濃度為30～50g/L、磷酸三鈉的濃度為35～40g/L、硅酸鈉的濃度為6～8g/L的比例混合得到化學(xué)除油液。并通過氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值至10～13。之后將產(chǎn)品浸沒于溫度為20～60℃的化學(xué)除油液中,吹入空氣攪拌1～10min,然后用水清洗干凈。再將微蝕液加熱至25～35℃,將除油后的產(chǎn)品浸沒于微蝕液中保持1～2min,用水清洗。

3.2.3 浸鎳活化及化學(xué)鍍鎳

將浸鎳液加熱至40～60℃,然后將完成前處理的產(chǎn)品浸沒于浸鎳液中保持10～50s,取出后用水清洗；之后將40～100g/L的NaOH溶液、10～50g/L的次亞磷酸鈉溶液混合均勻,得到激活液。

按硫酸鎳的濃度為25～27g/L、次亞磷酸鈉的濃度為26～29g/L、醋酸鈉的濃度為10～12g/L、乳酸的濃度為15～18ml/L、干貝素的濃度為6～8g/L、蘋果酸的濃度為3～4g/L、碘酸鉀的濃度2～3mg/L的比例配制水溶液,并調(diào)節(jié)pH值為4．8～5．0,得到化學(xué)鍍鎳液。

將激活液加熱至50～70℃,然后將產(chǎn)品浸沒于激活液中保持10～50s,取出產(chǎn)品用水清洗后立即浸入溫度為80～90℃的化學(xué)鍍鎳液中進(jìn)行化學(xué)鍍鎳,最終完成銅電路表面化學(xué)鍍鎳的全過程。

3.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測試與分析

化鍍后的產(chǎn)品按照《用膠帶測試測量附著力的標(biāo)準(zhǔn)方法ASTMD3359》的劃方格法測試鍍層結(jié)合力,在樣品表面劃相距1mm的10×10的方格,然后用膠帶粘住樣品后迅速揭開,切口邊緣完全光滑,沒有一個(gè)方格出現(xiàn)剝落,說明鍍層與基體的結(jié)合力優(yōu)良。該工藝符合實(shí)際生產(chǎn)需求。

浸鎳活化替代傳統(tǒng)化鍍工藝中的鈀活化,有效降低了生產(chǎn)成本和控制鍍鎳溢鍍現(xiàn)象,處理操作都比較簡便而且活化速度快、條件溫和、效率高,適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

4 結(jié)語

隨著MID技術(shù)的不斷發(fā)展,伴隨著在制造領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用和市場競爭的日趨激烈,對(duì)LDS產(chǎn)品質(zhì)量的要求也隨之提高。但是在LDS產(chǎn)品的化學(xué)鍍方面溢鍍情況的存在較嚴(yán)重的影響了企業(yè)的生產(chǎn)成本和產(chǎn)品質(zhì)量,所以控制產(chǎn)品溢鍍情況和開發(fā)新的低成本、高效率、高穩(wěn)定性而且操作簡便的化學(xué)鍍工藝對(duì)于LDS產(chǎn)品制造業(yè)來說具有重大意義。本文中上海安費(fèi)諾公司對(duì)LDS產(chǎn)品化學(xué)鍍溢鍍現(xiàn)象控制的研究,可以有效控制化學(xué)鍍過程中溢鍍現(xiàn)象的發(fā)生,對(duì)降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提供了良好的參考。

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