فرآیند و اصل آبکاری پی سی بی مس

pcb نقش مهمی در اتصال و انتقال سیگنال های الکترونیکی ایفا می کند و فرآیند آبکاری مس pcb به عنوان پیوند اصلی درفرآیند تولید PCB، نقش تعیین کننده ای در عملکرد و کیفیت برد مدار دارد. از تلفن‌های هوشمند گرفته تا رایانه‌های{1} با کارایی بالا، از لوازم الکترونیکی خودرو گرفته تا تجهیزات هوافضا، تقریباً همه بردهای مدار چاپی دستگاه‌های الکترونیکی به فناوری آبکاری مسی متکی هستند.

1، اصل آبکاری مس

آبکاری pcb مس یک فرآیند الکتروشیمیایی معمولی بر اساس قانون فارادی است. در حمام آبکاری، pcb به عنوان کاتد استفاده می شود و آند مس در یک الکترولیت حاوی یون های مس غوطه ور می شود. هنگامی که یک ولتاژ جریان مستقیم بین کاتد و آند اعمال می شود، جریان از الکترولیت عبور می کند و باعث ایجاد یک سری واکنش های الکتروشیمیایی می شود.

واکنش آندی: آند مس تحت یک واکنش اکسیداسیون قرار می گیرد که در آن اتم های مس دو الکترون را از دست می دهند و تبدیل به یون مس می شوند که وارد الکترولیت می شوند. معادله واکنش Cu-2e - → Cu 2 ⁺ است.

واکنش کاتدی: در سطح pcb، یون‌های مس الکترون‌ها را می‌گیرند و به اتم‌های مس تقلیل می‌یابند که روی سطح pcb رسوب می‌کنند. معادله واکنش Cu 2 ⁺+2e⁻ → Cu است.

با کنترل پارامترهایی مانند چگالی جریان، زمان آبکاری و ترکیب الکترولیت، می توان میزان رسوب و ضخامت پوشش مس را به دقت کنترل کرد.

2، جریان فرآیند

(1) پیش پردازش

تمیز کردن: ابتدا بستر pcb را کاملاً تمیز کنید تا ناخالصی ها مانند لکه های روغن، گرد و غبار و اکسیدهای روی سطح پاک شوند. روش های معمول تمیز کردن شامل تمیز کردن قلیایی، تمیز کردن اسیدی و تمیز کردن اولتراسونیک است. تمیز کردن قلیایی می تواند به طور موثر روغن و آلاینده های آلی را حذف کند، در حالی که تمیز کردن اسیدی عمدتا برای حذف اکسیدها استفاده می شود. تمیز کردن اولتراسونیک می تواند شکاف ها و سوراخ های ریز روی سطح بستر را از طریق اثر کاویتاسیون امواج اولتراسونیک به طور کامل تمیز کند. سطح زیرلایه تمیز شده نباید ناخالصی آشکاری داشته باشد و یک درخشش فلزی یکنواخت داشته باشد.

خوردگی میکرو: هدف از ریز خوردگی ایجاد یک سطح خشن میکرو بر روی سطح pcb است که باعث افزایش چسبندگی بین لایه مس آبکاری شده بعدی و زیرلایه می شود. معمولاً از محلول های حاوی میکرو اچانت مانند پرسولفات یا سولفوریک اسید پراکسید هیدروژن برای تصفیه زیرلایه ها استفاده می شود. در طی فرآیند میکرو اچینگ، عامل میکرو اچینگ با سطح مس تحت یک واکنش شیمیایی قرار می گیرد و لایه بسیار نازکی از مس را حل می کند و ساختارهای محدب مقعر کوچکی را تشکیل می دهد. درجه ریز خوردگی باید به شدت کنترل شود، با مقدار میکرو خوردگی عمومی بین 0.5-1.5 میکرومتر کنترل شود تا از چسبندگی خوب بدون خوردگی بیش از حد زیرلایه اطمینان حاصل شود.

قبل از غوطه وری: غوطه وری قبل فرآیند غوطه ور کردن PCB تمیز شده و میکرو اچ شده در محلول پیش غوطه وری حاوی اجزای خاص است که به سطح بستر اجازه می دهد لایه ای از ماده فعال را جذب کند و برای فرآیند فعال سازی بعدی آماده شود. ترکیب محلول قبل از غوطه وری معمولاً مشابه محلول فعال سازی است، اما غلظت کمتری دارد. عملکرد اصلی آن جلوگیری از اکسید شدن مجدد بستر قبل از فعال سازی و بهبود اثر فعال سازی است. زمان قبل از خیساندن معمولاً کوتاه است و معمولاً از چند ثانیه تا ده‌ها ثانیه متغیر است.

فعال‌سازی: فعال‌سازی مرحله‌ای مهم در فرآیند{0}پیش تصفیه است که هدف آن جذب لایه‌ای از ذرات فلزی فعال کاتالیزوری، معمولاً ذرات پالادیوم، روی سطح PCB است. این ذرات پالادیوم به عنوان مراکز کاتالیزوری برای آبکاری شیمیایی یا آبکاری مس شیمیایی بعدی عمل می کنند و باعث کاهش و رسوب یون های مس می شوند. روش‌های فعال‌سازی متداول شامل روش فعال‌سازی پالادیوم کلوئیدی و روش فعال‌سازی پالادیوم یونی است. محلول فعال کننده پالادیوم کلوئیدی از نمک پالادیوم، نمک قلع و عامل کیلیت تشکیل شده است. در طی فرآیند فعال‌سازی، ذرات پالادیوم کلوئیدی روی سطح pcb جذب می‌شوند. روش فعال‌سازی پالادیوم یونی به این صورت است که یون‌های پالادیوم را از طریق تبادل یونی روی سطح بستر جذب می‌کنند و سپس از طریق یک عامل کاهنده به پالادیوم فلزی تبدیل می‌شوند. پارامترهایی مانند زمان فعال‌سازی و دما باید با توجه به نوع محلول فعال‌سازی و مواد PCB دقیقاً کنترل شوند تا از یک لایه فعال‌سازی یکنواخت و متراکم اطمینان حاصل شود.

(2) آبکاری مس شیمیایی

برای برخی از بسترهای PCB ساخته شده از مواد غیر رسانا، مانند پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه، قبل از آبکاری مس به آبکاری مسی شیمیایی نیاز است تا یک لایه مس رسانای نازک بر روی سطح بستر ایجاد شود و یک مسیر رسانا برای آبکاری بعدی مس باشد.

اصل آبکاری مس شیمیایی: آبکاری مس شیمیایی یک واکنش کاهش اکسیداسیون{0}}خود کاتالیزوری است. در سطحی با فعالیت کاتالیزوری، یون‌های مس از طریق عمل یک عامل کاهنده به مس فلزی کاهش می‌یابند و روی سطح زیرلایه رسوب می‌کنند. معادله واکنش اصلی این است: Cu ²⁺+2HCHO+4OH⁻ → Cu+2HCOO ⁻+2H2 O+H₂ ↑. در این واکنش، یون‌های مس با به دست آوردن الکترون تحت کاتالیز مراکز پالادیوم به اتم‌های مس کاهش می‌یابند، در حالی که فرمالدئید اکسیده می‌شود و یون‌های فرمت می‌کند.

فرآیند آبکاری مس شیمیایی: ابتدا pcb فعال شده در محلول آبکاری مس شیمیایی حاوی نمک های مس، عوامل کمپلکس کننده، عوامل کاهنده و سایر افزودنی ها غوطه ور می شود. دمای محلول آبکاری به طور کلی بین 40-50 درجه کنترل می شود و مقدار pH در حدود 12-13 حفظ می شود. در فرآیند آبکاری مس الکترولس، لازم است محلول آبکاری را به طور مناسب هم بزنید تا از یکنواختی محلول آبکاری و پیشرفت کافی واکنش اطمینان حاصل شود. زمان آبکاری مس الکترولس به ضخامت مورد نیاز لایه مس بستگی دارد و به طور کلی می توان یک لایه مسی با ضخامت بین 0.2-0.5 μm بدست آورد. پس از آبکاری شیمیایی مس، PCB باید تمیز شود تا محلول آبکاری باقیمانده و ناخالصی های روی سطح پاک شود.

(3) مس آبکاری شده

مس آبکاری شده فول برد: مس آبکاری شده فول برد، که به عنوان مس اولیه نیز شناخته می شود، عمدتاً برای آبکاری یک لایه مس بر روی کل سطح یک PCB که تحت پوشش شیمیایی مس آبکاری قرار گرفته است، به منظور افزایش ضخامت لایه مس، بهبود رسانایی و استحکام مکانیکی و محافظت از لایه آبکاری مس شیمیایی در برابر فرآیندهای دیگر استفاده می شود. آبکاری مس کامل معمولاً از محلول آبکاری سولفات مس اسیدی استفاده می‌کند، با محتوای سولفات مس به طور کلی بین 150-250 گرم در لیتر و محتوای اسید سولفوریک بین 50-200 گرم در لیتر در فرمول، و همچنین مقادیر مناسب یون‌های کلرید و مواد افزودنی. در فرآیند آبکاری، pcb به عنوان کاتد استفاده می شود و گلوله های مس فسفر به طور کلی به عنوان آند برای تکمیل یون های مس در محلول آبکاری استفاده می شود. چگالی جریان به طور کلی در 1-2A/dm² کنترل می شود و زمان آبکاری به ضخامت لایه مس مورد نیاز بستگی دارد، معمولاً ضخامت لایه مس را به 5-20 میکرو متر افزایش می دهد. در طول فرآیند آبکاری مس روی کل تخته، فیلتراسیون مداوم محلول آبکاری برای حذف ناخالصی ها و ذرات از محلول آبکاری و اطمینان از کیفیت پوشش مورد نیاز است.

مس آبکاری گرافیکی: مس آبکاری گرافیکی که به عنوان مس ثانویه نیز شناخته می شود، آبکاری انتخابی قطعات گرافیکی مدار مورد نیاز بر روی PCB پس از آبکاری کامل مس و انتقال گرافیکی است که لایه مس را بیشتر ضخیم می کند تا نیازهای ظرفیت حمل جریان مدار و عملکرد انتقال سیگنال را برآورده کند. پارامترهای ترکیبی و فرآیندی محلول آبکاری برای آبکاری مس گرافیکی مشابه مس های آبکاری تمام تخته است، اما از آنجایی که فقط مناطق گرافیکی خاصی آبکاری می شوند، مواد ماسک برای پوشاندن قطعاتی که نیازی به آبکاری ندارند مورد نیاز است. در طول فرآیند آبکاری، باید توجه ویژه ای به یکنواختی توزیع جریان داشت تا اطمینان حاصل شود که ضخامت پوشش هر قسمت از الگوی سازگار است. پس از آبکاری گرافیکی با مس، ضخامت لایه مس به طور کلی می تواند به 20-50 میکرومتر برسد و ضخامت خاص به الزامات طراحی PCB بستگی دارد.

(4) پس پردازش

تمیز کردن: پس از آبکاری مس، ابتدا باید pcb کاملا تمیز شود تا محلول آبکاری باقیمانده و ناخالصی های روی سطح پاک شود. تمیز کردن معمولاً از یک روش شستشوی چند مرحله‌ای{1} استفاده می‌کند که با جریان متقابل انجام می‌شود، ابتدا با آب تمیز بشویید و سپس با آب یونیزه شده بشویید تا اطمینان حاصل شود که مواد شیمیایی باقی‌مانده روی سطح PCB وجود ندارد. سطح pcb تمیز شده باید تمیز، عاری از لکه و دارای مقدار pH نزدیک به خنثی باشد.

غیرفعال سازی: به منظور بهبود مقاومت در برابر خوردگی لایه های مس آبکاری شده، معمولاً عملیات غیرفعال سازی مورد نیاز است. غیرفعال سازی تشکیل یک فیلم غیرفعال بسیار نازک بر روی سطح یک لایه مس است که می تواند از واکنش های شیمیایی بین اکسیژن و رطوبت و مس جلوگیری کند و در نتیجه عمر مفید لایه مس را افزایش دهد. روش های متداول غیرفعال سازی شامل غیرفعال سازی شیمیایی و غیرفعال سازی الکتروشیمیایی است. غیرفعال سازی شیمیایی معمولاً از محلول های حاوی کرومات، فسفات یا غیرفعال کننده های آلی برای پردازش بردهای مدار چاپی استفاده می کند. غیرفعال سازی الکتروشیمیایی فرآیند اعمال یک ولتاژ معین در یک الکترولیت خاص برای ایجاد واکنش های اکسیداسیون در سطح لایه های مس است که یک فیلم غیرفعال سازی را تشکیل می دهد. پس از عملیات غیرفعال سازی، سطح لایه مس یک رنگ فیلم غیرفعال سازی یکنواخت مانند رنگین کمان یا زرد طلایی ارائه می دهد.

خشک کردن: PCB تمیز شده و غیرفعال شده باید خشک شود تا رطوبت سطح از بین برود. روش های خشک کردن شامل خشک کردن با هوای گرم، خشک کردن با خلاء و غیره است. خشک کردن با هوای گرم یک روش رایج است که شامل قرار دادن PCB در یک محیط هوای گرم در دمای معین برای تبخیر سریع رطوبت است. در طول فرآیند خشک کردن، باید به کنترل دما توجه شود تا از تغییر شکل PCB یا اکسیداسیون لایه مس ناشی از دمای بیش از حد جلوگیری شود. PCB خشک شده باید به درستی ذخیره شود تا از رطوبت یا آلودگی بیشتر جلوگیری شود.