LDS材料化學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技術因其設計的自由度大、能實現(xiàn)的功能多、可減少安裝層次和裝配的數(shù)量已廣泛應用于通訊行業(yè)領域。但是通過現(xiàn)有化學鍍工藝在對被鐳射過的塑膠件表面進行化學鍍銅和化學鍍鎳時常常會有漏鍍、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)品在化學鍍過程中的溢鍍情況進行跟蹤實驗分析，并根據(jù)一定的實驗數(shù)據(jù)進行分析，對大量化學鍍步驟方案進行比較，選取能夠控制PC及ABS塑膠件表面化學鍍溢鍍的情況，對LDS產(chǎn)品生產(chǎn)成本和良率控制有一定積極的指導意義。

LDS材料化學鍍溢鍍 工藝改善

1 MID-LDS技術的優(yōu)勢及發(fā)展概況

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

本文選取了較具有代表性的上海弘夏化學公司在進行LDS產(chǎn)品化學鍍處理的工藝流程: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─化學鍍鎳─水洗─烘干。

2 LDS產(chǎn)品化鍍溢鍍實驗

2.1 實驗材料

本次試驗選取了較為具有上海安費諾公司研發(fā)的有代表性的三種手機天線產(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公司激光機根據(jù)不同天線pattern鐳射而成。每種天線各140片,并從1-140進行標號。

2.2 實驗過程及數(shù)據(jù)統(tǒng)計

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、10個和14個較具有典型的重點尺寸。

分別對每種每片產(chǎn)品的重點尺寸進行標號和在放大100倍的顯微鏡下測量。之后對每片產(chǎn)品的每個所選尺寸進行記錄以作為在未進行化學鍍前的尺寸。

2.2.2 化學鍍步驟流程

之后將實驗樣品送至上海弘夏化學進行為期兩周的化鍍實驗,出于對實驗的對比性和均衡性,本次實驗選取每兩天化鍍20片天線/種,一周更換一次化鍍的槽液,以增強化鍍實驗的科學性和排除他因干擾因素。具體化鍍過程為:化學除油--Cu-930化學鍍薄銅--Cu-960化學鍍厚銅--離子鈀活化--Ni-883化學鍍鎳--水洗烘干。

2.2.3 化鍍后尺寸測量與統(tǒng)計

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、恒溫恒濕試驗及中性鹽霧試驗。

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)品在化學鍍后的具體溢鍍情況。

2.3 實驗結果及數(shù)據(jù)分析

2.3.1 化鍍藥水周期對溢鍍的影響

除了LDS鐳射尺寸可能對溢鍍產(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,藥水發(fā)生老化導致溢鍍,所以化鍍過程中的工藝維護至關重要,適時補充穩(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驗產(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,邊上也有星星點點的溢鍍,對天線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,對于天線的RF性能影響不大,但是對尺寸測量有影響。天線C溢鍍相對來說比較大,有較為明顯的連續(xù)的波峰與波谷,對天線的RF性能有影響,且會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,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。通過實驗對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)格會對產(chǎn)品的溢鍍情況造成影響,因為鍍層較厚的產(chǎn)品需要更久的沖擊銅時間和更高的活性。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間十分重要。

3 控制溢鍍現(xiàn)象的化鍍工藝改進

3.1 添加甲醇作鍍銅溶液穩(wěn)定劑

化學鍍銅溶液并不穩(wěn)定,在化學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。而通過實驗證明,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,減少工藝維護中加入穩(wěn)定劑的次數(shù)和量,延長鍍液壽命和增強穩(wěn)定性。

結果證明,加入甲醇溶液作穩(wěn)定劑對化學鍍銅溶液的穩(wěn)定性有顯著的改善作用,在甲醇溶液200～400ml/L時,對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

化學鍍鎳時需要先對化鍍表面進行活化處理,活化液對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,鎳離子沉積從而達到鍍鎳的目的。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℃的化學鍍鎳液中進行化學鍍鎳,最終完成銅電路表面化學鍍鎳的全過程。

3.2.4 實驗結果測試與分析

化鍍后的產(chǎn)品按照《用膠帶測試測量附著力的標準方法ASTMD3359》的劃方格法測試鍍層結合力,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,沒有一個方格出現(xiàn)剝落,說明鍍層與基體的結合力優(yōu)良。該工藝符合實際生產(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 結語

隨著MID技術的不斷發(fā)展,伴隨著在制造領域被廣泛的應用和市場競爭的日趨激烈,對LDS產(chǎn)品質(zhì)量的要求也隨之提高。但是在LDS產(chǎn)品的化學鍍方面溢鍍情況的存在較嚴重的影響了企業(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鍍工藝對于LDS產(chǎn)品制造業(yè)來說具有重大意義。本文中上海安費諾公司對LDS產(chǎn)品化學鍍溢鍍現(xiàn)象控制的研究,可以有效控制化學鍍過程中溢鍍現(xiàn)象的發(fā)生,對降低生產(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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