導電碳膜的靜電自組裝制備及其直接電沉積銅研究.pdf

1、目前印刷電路板(PCB)中集成的電子元器件分別通過銅導電線路及金屬化的孔實現(xiàn)互聯(lián)，如采用傳統(tǒng)的非金屬電鍍工藝加工，需經(jīng)膠體鈀活化與化學鍍銅后再接續(xù)電沉積銅，不僅工藝繁雜，且使用貴金屬鈀和對人體有害的甲醛。隨著國家對節(jié)能減排要求不斷提升，傳統(tǒng)制造工藝已不適合繼續(xù)應用，本文提出靜電自組裝制備導電碳膜，并在其表面直接電沉積形成銅層。具體來講，分別以碳黑和石墨烯為導電介質(zhì)，在陽離子聚合物處理后將基板表面荷正電荷，通過靜電吸附荷負電荷的碳顆粒實現(xiàn)

2、自組裝成膜，并進行了自組裝碳膜上直接電沉積銅的研究。該新型加成法制造工藝免去化學鍍工序，生產(chǎn)效率高、污染物排放低，對推動PCB制造技術的發(fā)展提供有價值的指導。
　　碳黑的分散實驗表明在篩選六種表面活性劑中壬基酚聚氧乙烯醚(TX-10)性能優(yōu)于其他表面活性劑，添加量為碳黑量25wt.％時體系粘度和透光率降到最低。采用分子動力學模擬軟件Material Studio(MS)從潤濕分散的角度建立表面活性劑在碳黑表面吸附模型，探討了表面活

3、性劑的吸附形態(tài)和結構與吸附能的關系，明確了TX-10分子平臥時吸附作用能較大，且能量高于其它篩選的表面活性劑，印證碳黑分散實驗的結果。進而對其陰離子改性后的壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯(TXP-10)進行考察，實驗結果表明其在均勻分散碳黑的基礎上，具有調(diào)整碳顆粒荷負電荷的作用。通過紫外-可見光譜測試證實對于陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)預處理過的基體，TXP-10分散的碳黑吸附量顯著提高。
　　探討預處理液中聚合物濃度和陽離子度、碳分散液

4、中碳含量和分散方式等因素對自組裝碳黑膜性能的影響，確定優(yōu)化的制備工藝條件為：陽離子度10%的CPAM溶液，濃度為100mg/L，浸漬時間150s；碳黑含量是1.0wt.%，TXP-10添加量0.25wt.%；采用球磨分散碳黑，球料比1:1，球磨時間為120min；自組裝浸漬的循環(huán)次數(shù)為2次。
　　在自組裝碳黑膜直接電沉積實驗中，采用陰極極化曲線法研究了分散劑對碳黑上銅沉積影響。結果表明，分散劑包覆在碳黑表面阻礙銅離子還原，增大還原

5、反應的極化電位，致使碳上銅沉積速率低，施鍍30min后，銅層覆蓋率小于5%。針對該問題，實驗采用添加劑調(diào)整鍍液組分，有效地抑制銅離子在銅表面的優(yōu)先沉積。陰極電流密度1.5A·dm-2時，30mg/L的PEG10000可使銅在碳與銅表面還原電位差增大至70mV。經(jīng)鍍液優(yōu)化后碳膜覆銅速率顯著提高，然而獲得銅層發(fā)暗。而碳表面經(jīng)氧化后帶有羥基和羧基等含氧極性官能團，采用MS模擬計算明確表面氧化降低了TXP-10在碳黑表面吸附作用能，并通過微分電

6、容和極化曲線測試進一步證實陰極極化時分散劑 TXP-10在氧化碳黑表面發(fā)生脫附，減小了銅離子還原的極化，增大碳上銅沉積速率，在施鍍20min后組裝碳膜完全被沉積銅層所覆蓋。以此陽離子聚丙烯酰胺和高氧化碳黑分散液的工藝處理通孔徑為0.2~1.0mm的PCB板，電沉積后孔內(nèi)銅層均勻完整且與孔壁結合力良好。
　　在自組裝氧化石墨烯(GO)膜的研究中，首先探討pH值對GO分散性影響，在優(yōu)化pH為10溶液中GO分散更充分，且對應最低zeta

7、電位?68mV。而通過紫外-可見光譜測試表明自組裝多層膜特征峰的吸光度與層數(shù)呈正比關系，即組裝GO層是均勻等厚的。分別采用恒電位極化和硼氫化鈉原位在線還原自組裝GO膜，對比顯示硼氫化鈉相較恒電位電化學還原更有效率，在20min內(nèi)還原反應基本完成，且明確了還原氧化石墨烯(RGO)的還原程度與其陰極銅沉積過程具有對應關系，還原程度越大則石墨烯上銅沉積反應的電流越大。而通過自組裝和后續(xù)原位化學還原在PCB板表面形成圖形化RGO/CPAM導電層

8、，恒流沉積時銅沿 RGO層逐漸沉積生長，20min內(nèi)圖形區(qū)域完全被銅層覆蓋，實現(xiàn)PCB板表面的直接電沉積金屬化。
　　對自組裝過程GO與CPAM的相互作用進行系統(tǒng)地研究。首次通過電化學石英晶體微天平佐證 GO在組裝過程中靜電力的作用效果，并采用紅外光譜測試和MS分子動力學模擬，證實GO的羧基和CAPM的氨基形成N—H…:O結構的分子間氫鍵。在此基礎上構建了自組裝膜結構模型并提出 GO自組裝反應歷程，主要包括兩個步驟：第一，靜電作用