印制線路板酸性鍍銅整平劑的研究

厲小雯，唐有根,，羅玉良，康東紅

（1.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)電源與材料研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.東莞鈺利電子材料有限公司，廣東 東莞 523050）

印制線路板酸性鍍銅整平劑的研究

厲小雯1，唐有根1,*，羅玉良2，康東紅1

（1.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)電源與材料研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.東莞鈺利電子材料有限公司，廣東 東莞 523050）

以N–乙烯基咪唑和1,4–丁二醇二環(huán)氧甘油醚為原料合成了一種帶聚醚鏈的整平劑，采用FT-IR和1H NMR對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。對(duì)由此整平劑與聚二硫二丙烷磺酸鈉(SPS)和聚乙二醇(PEG-6000)組成的添加劑體系與市售整平性能較好的添加劑的陰極極化曲線、銅鍍層表面形貌和鍍液均鍍能力作了對(duì)比。結(jié)果表明，含此整平劑的添加劑在細(xì)化顆粒能力和均鍍能力方面均比市售添加劑好，并能在較寬的電流密度范圍內(nèi)(0.6 ～ 10 A/dm2)得到光亮的銅鍍層。該整平劑可作為一種性能良好的添加劑應(yīng)用于印制線路板(PCB)酸性鍍銅工藝。

酸性鍍銅；印制線路板；整平劑；均鍍能力

1 前言

隨著3G時(shí)代的來(lái)臨及電子產(chǎn)品向輕、薄的方向發(fā)展，印制線路板上通孔及盲孔的尺寸逐漸縮小(直徑已小至0.05 mm)，對(duì)電鍍銅生產(chǎn)工藝提出了更高的要求[1]。引進(jìn)先進(jìn)鍍銅技術(shù)和開(kāi)發(fā)應(yīng)用性能優(yōu)良的電鍍添加劑隨即成為研究熱點(diǎn)。雖然脈沖電鍍對(duì)微小孔導(dǎo)通能取得良好的效果，但需在特定的添加劑的作用下才能達(dá)到，所以研發(fā)合適的添加劑是解決問(wèn)題的根源[2-3]。據(jù)專利報(bào)道[4]，由含有雜原子氮或硫的化合物與帶醚鏈環(huán)氧化物的反應(yīng)產(chǎn)物作為整平劑，對(duì)電鍍微盲孔具有非常好的整平及填充效果。通過(guò)對(duì)一些添加劑[5-8]的性能的了解，本文以N–乙烯基咪唑和1,4–丁二醇二環(huán)氧甘油醚為原料，合成了一種帶聚醚鏈的共聚物，采用紅外光譜和核磁共振光譜對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并且用此整平劑、聚二硫二丙烷磺酸鈉(SPS)為光亮劑、分子量為6 000的聚乙二醇(PEG-6000)為潤(rùn)濕劑組成復(fù)合添加劑體系，將該添加劑體系與國(guó)內(nèi)市售整平性能較好的酸性鍍銅光亮劑體系的陰極極化曲線和鍍層表面形貌作了對(duì)比。

2 實(shí)驗(yàn)

2. 1 主要試劑與儀器

N–乙烯基咪唑(VI)、1,4–丁二醇二環(huán)氧甘油醚(BDE)、無(wú)水乙醇、濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%)、濃鹽酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.5%)、聚乙二醇(PEG-6000)、五水合硫酸銅(CuSO4·5H2O)、聚二硫二丙烷磺酸鈉(SPS)等均為市售分析純。

主要儀器包括Perkin Elmer 的Spectrum 2200型傅里葉紅外光譜儀(薄膜法)、德國(guó) AVANCE的 Digital 400 MHz 核磁共振儀(TMS做內(nèi)標(biāo)，D2O為溶劑)、上海辰華儀器有限公司的CHI660D電化學(xué)工作站和德國(guó)LEO公司的1530VP型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡。

2. 2 實(shí)驗(yàn)方法

2. 2. 1 整平劑的合成

于250 mL帶有冷凝回流管的三頸燒瓶中，將23.28 g (相當(dāng)于0.25 mol)N–乙烯基咪唑溶解于50 mL水中，在N2保護(hù)下磁力攪拌并加熱至80 °C，在不斷攪拌下將46 mL(相當(dāng)于0.25 mol)1,4–丁二醇二環(huán)氧甘油醚滴入反應(yīng)器中。滴加完畢，使混合物的溫度維持在(85 ± 2) °C，并磁力攪拌6 h。停止加熱后，繼續(xù)攪拌18 h，得到產(chǎn)物為棕色稠液(取少量液體作為紅外、核磁共振測(cè)試的樣品)，用硫酸將混合物的pH調(diào)至6 ～ 7，最后將反應(yīng)產(chǎn)物移至另一容器中，并以去離子水稀釋100倍，備用。

2. 2. 2 鍍液組成及工藝條件

往溶液中分別加入4 mL/L的市售光亮劑YL-623A (臺(tái)灣產(chǎn)品)和4 mL/L的自配添加劑(包括以上合成的整平劑、SPS和PEG-6000)。

陰極需經(jīng)過(guò)砂紙打磨拋光、除油、酸洗、微蝕等前處理工序，陽(yáng)極為磷銅陽(yáng)極，采用連續(xù)空氣攪拌。

2. 2. 3 測(cè)試條件

極化曲線測(cè)試采用三電極體系，工作電極是純度為99.9%、暴露部分直徑為1.0 cm的銅箔片，輔助電極為鉑片電極,參比電極是飽和甘汞電極(SCE)，掃描速率為10 mV/s，掃描起止電位為0 ～ -1.0 V。

SEM掃描放大倍數(shù)為50 000倍(分辨率100 nm)，加速電壓為5.00 kV。

2. 2. 4 均鍍能力測(cè)試

采用遠(yuǎn)近陰極法，以1 500 mL的哈林槽為試驗(yàn)槽，陰極采用100 mm × 65 mm × 1 mm的赫爾槽片(純銅或黃銅)，將其表面磨光、除油，使側(cè)面及背面絕緣，在110 °C下干燥后備用，陽(yáng)極采用網(wǎng)狀或帶孔的磷銅，其尺寸為100 mm × 65 mm × 5 mm。參數(shù)的選定：電流根據(jù)電解液的性能設(shè)為2 A，時(shí)間為30 min。陰極間距離為24 cm，遠(yuǎn)近陰極與陽(yáng)極之間的距離，可根據(jù)電解液的性質(zhì)采用2∶1或3∶1。陰極試片在試驗(yàn)前后都需烘干和用分析天平稱重(精確度為0.001 g)。均鍍能力，其中m近、m遠(yuǎn)分別為近陽(yáng)極端和遠(yuǎn)陽(yáng)極端陰極片鍍層的質(zhì)量(即增重)，T值接近100%表示鍍液的均鍍能力好。

3 結(jié)果與討論

3. 1 整平劑的結(jié)構(gòu)表征

3. 1. 1 FT-IR光譜分析

圖1是整平劑的紅外光譜圖，從圖中可以看出[9]，2 931 cm-1和2 868 cm-1處的特征峰歸屬于亞甲基的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，1 651 cm-1處的特征峰歸屬于咪唑環(huán)上C═C伸縮振動(dòng)吸收峰，1 497 cm-1和1 450 cm-1處分別歸屬于咪唑環(huán)的骨架伸縮振動(dòng)吸收峰，871 cm-1和660 cm-1處為咪唑環(huán)面外變形振動(dòng)吸收峰，1 114 cm-1處歸屬于醚鏈上C─O─C不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，912 cm-1歸屬于環(huán)上C─O─C不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，747 cm-1為亞甲基的平面搖擺振動(dòng)。

圖1 整平劑的紅外譜圖Figure 1 FT-IR spectrum of the leveling agent

3. 1. 21H NMR譜分析

圖2是整平劑的1H NMR譜圖。

圖2 整平劑的1H NMR譜圖Figure 2 1H NMR spectrum of the leveling agent

以D2O為溶劑，與1,4–丁二醇二環(huán)氧甘油醚的1H NMR標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比，整平劑的質(zhì)子H化學(xué)位移值的歸屬為：δ = 4.679 × 10-6為D2O溶劑峰；δ = 7.801 × 10-6、7.740 × 10-6和7.374 × 10-6，為咪唑環(huán)上的3個(gè)H；δ = 7.042 × 10-6、7.002 × 10-6、6.994 × 10-6和6.980 × 10-6，為乙烯基上的3個(gè)H；δ = 7.374 × 10-6為與N相連的亞甲基上的H；δ = (5.406 ～ 5.363) × 10-6為與O相連的次甲基上的H；δ = (3.820 ～ 3.415) × 10-6為與O相連的亞甲基上的H；δ = (1.564 ～ 1.339) × 10-6為亞甲基上的H。這說(shuō)明一部分環(huán)氧鍵已經(jīng)斷裂成了醚鍵。

從以上 2種光譜分析可知，1,4–丁二醇二環(huán)氧甘油醚上的環(huán)氧基與N–乙烯基咪唑環(huán)上未取代的N原子發(fā)生了加成反應(yīng)，氧負(fù)離子再繼續(xù)催化發(fā)生聚醚反應(yīng)，形成了聚醚鏈[10]。其結(jié)構(gòu)式如下：

3. 2 赫爾槽試驗(yàn)

自配添加劑體系在267 mL赫爾槽內(nèi)，溫度為30 °C左右下，較寬電流密度范圍內(nèi)(0.6 ～ 10 A/dm2)均能得到光亮、細(xì)致的銅鍍層，鍍層外觀與市售添加劑得到的鍍層相當(dāng)。

3. 3 陰極極化曲線分析

圖3為酸性電鍍基礎(chǔ)溶液和在此基礎(chǔ)上分別加入不同添加劑后電鍍?nèi)芤旱年帢O極化曲線。可以看出，曲線b、c的斜率均較曲線a小，曲線b、c均在-0.8 V左右出現(xiàn)極限電流密度，說(shuō)明自配添加劑和 YL-623A添加劑都能提高陰極極化，且均有很寬的電鍍電壓操作范圍。

圖3 含不同添加劑與未含添加劑的鍍液的陰極極化曲線Figure 3 Cathodic polarization curves for the baths with no and different additives

3. 4 鍍層表面形貌分析

圖4a、b分別為使用自配添加劑和市售YL-623A添加劑所得鍍層的SEM形貌。可以看出，加入自配添加劑的銅鍍層顆粒直徑(d = 20.10 nm)比加入市售YL-623A添加劑的銅鍍層顆粒直徑(d = 29.03 nm)小。說(shuō)明自配添加劑更能細(xì)化銅鍍層顆粒，是一種性能優(yōu)良的添加劑體系。

3. 5 均鍍能力分析

表1為不同添加劑的鍍液均鍍能力對(duì)比。從表中可知，自配添加劑的鍍液均鍍能力達(dá)到92.86%，比市售添加劑的均鍍能力(91.89%)好。

表1 不同添加劑鍍液的均鍍能力Table 1 Throwing power of the baths with different additives

圖4 加入不同添加劑的銅鍍層的SEM照片F(xiàn)igure 4 SEM images of the copper deposits prepared with different additives

4 結(jié)論

以 N–乙烯基咪唑和 1,4–丁二醇二環(huán)氧甘油醚為原料合成了一種帶聚醚鏈的共聚物，用此共聚物作為整平劑，與SPS、PEG-6000組成復(fù)合添加劑。該復(fù)合添加劑在較寬的電流密度范圍內(nèi)(0.6 ～ 10 A/dm2)均能得到光亮的銅鍍層，有很寬的電鍍電壓操作范圍，所得鍍層顆粒細(xì)致、平整，均鍍能力好。此帶聚醚鏈的共聚物可以作為一種性能良好的電鍍整平劑使用。

[1] 林金堵, 梁志立, 鄔寧彪, 等.現(xiàn)代印制電路先進(jìn)技術(shù)[M]. 上海: 印制電路信息雜志社, 2009: 144.

[2] 劉小兵, 駱玉祥. 脈沖電鍍?cè)谖⒚た滋羁咨系膽?yīng)用[J]. 印制電路信息, 2004 (7): 42-45, 59.

[3] 朱鳳鵑, 李寧, 黎德育. 印制電路板電鍍銅添加劑的研究進(jìn)展[J]. 電鍍與精飾, 2008, 30 (8): 16-20.

[4] HAYASHI S, TSUCHIDA H, KUSAKA M, et al. Plating method: US, 7374652 [P]. 2008–05–20.

[5] 張立茗, 方景禮, 袁國(guó)偉, 等. 實(shí)用電鍍添加劑[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出社, 2007.

[6] MCKENZIE T L, GRIGGS A L. Epoxy resin curing agent made via aqueous dispersion of an epoxide and an imidazole: US, 5733954 [P]. 1998–03–31.

[7] 上村工業(yè)株式會(huì)社. 電鍍銅浴和電鍍銅的方法: CN, 1900377 [P]. 2007–01–24.

[8] 劉烈煒, 張艷清, 楊志強(qiáng). 無(wú)染料酸性鍍銅添加劑的發(fā)展?fàn)顩r[J]. 材料保護(hù), 2006, 39 (6): 38-40.

[9] 王宇光, 黎觀生, 張慶茂, 等. 雙馬來(lái)酰亞胺改性芳香胺固化劑的合成與表征[J]. 絕緣材料, 2006, 39 (1): 1-3, 6.

[10] 陳平, 劉立柱. 2–乙基–4–甲基咪唑固化環(huán)氧樹(shù)脂的固化反應(yīng)機(jī)理、動(dòng)力學(xué)及其反應(yīng)活性[J]. 高分子學(xué)報(bào), 1994 (6): 641-646.

Study on a leveling agent for acidic copper plating of printed circuit board //

LI Xiao-wen, TANG You-gen*, LUO Yu-liang, KANG Dong-hong

A leveling agent with polyether chain was synthesized with N–vinylimidazole and 1,4–butanediol diglycidyl ether as raw materials. The structure of the leveling agent was characterized by FT-IR and1H NMR spectroscopy. Cathodic polarization curves, surface morphologies of copper deposit and throwing power of plating bath were compared between the additive system containing the leveling agent, sodium 3,3'–dithiobis–1–propanesulfonate (SPS) and polyethylene glycol (PEG-6000), and a commercial additive with good leveling property. Results indicated that the ability for refining particle size and the throwing power of the additive system containing the leveling agent is better than that of the commercial additive, and a bright copper deposit can be obtained in a wide range of current densities (0.6-10 A/dm2) by using the leveling agent. As an additive with good performance, the leveling agent can be applied to acidic copper plating of printed circuit boards (PCBs).

acidic copper plating; printed circuit board; leveling agent; throwing power

Chemical Power and Material Institute, College of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China

TQ153.14

A

1004 – 227X (2011) 07 – 0034 – 03

2010–12–28

2010–01–17

厲小雯（1986-），女，湖南永州人，在讀碩士研究生，從事PCB酸性鍍銅整平劑的研究。

唐有根，教授，(E-mail) ygtang@mail.csu.edu.cn。

[ 編輯：韋鳳仙 ]