PCB通孔電鍍銅添加劑的分子模擬及其作用機制的研究.pdf

1、印刷電路板(Printed-Circuit-Board,PCB)是電子產(chǎn)品的必要組成部分,特別是多層印制電路板的出現(xiàn)為電子產(chǎn)品向小型化、便捷化、智能化發(fā)展提供了基礎(chǔ)。通孔電鍍銅是實現(xiàn)多層PCB層與層之間導通的主要途徑之一,也是當今PCB制造工藝中非常重要的一項技術(shù)。但是在直流電鍍過程中,由于通孔內(nèi)的電流密度分布不均勻,為了在孔內(nèi)獲得均勻鍍層,使用有機添加劑是一個有效而且經(jīng)濟的方法,但完全通過實驗篩選添加劑是一項非常費時費力的工作。在本文

2、中,使用分子動力學(MD)模擬的方法對4種整平劑候選物進行預測,并設(shè)計了7種復合添加劑體系,對負載通孔的PCB板進行電鍍,考察了添加劑體系的均鍍能力,利用電化學測試、原子力顯微鏡(AFM)、X射線光電子能譜(XPS)和量子化學計算手段對添加劑在陰極表面的行為和作用機理進行了探究。
　　通過動態(tài)極化曲線對比實驗,選定了促進劑噻唑啉基二硫代丙烷磺酸鈉(SH110)和抑制劑聚乙二醇(PEG,MW=10000),認為SH110是一種促進劑

3、和抑制劑或整平劑的結(jié)合體。使用分子動力學方法預測了兩種新型整平劑:N-丁基-N-甲基溴化哌啶(PP14Br)和氯化硝基四氮唑藍(NTBC),并預測出與健那綠B(JGB)有類似結(jié)構(gòu)的藏紅T(ST)不是一種有效的整平劑。對SH110進行的分子動力學模擬和電化學測試表明其可以作為通孔電鍍封孔的單一添加劑。使用SH110和PEG分別做促進劑和抑制劑,設(shè)計了4種促進劑-抑制劑-整平劑和3種促進劑-抑制劑-走位劑體系。
　　利用預測和設(shè)計的添

4、加劑體系,使用直流電鍍的方法對不同厚徑比和不同孔徑的PCB通孔進行了電鍍實驗,驗證了前文的分析和添加劑體系的性能,并探索了添加劑的較佳使用濃度范圍。使用通孔剖孔的方法檢測了孔內(nèi)鍍層的均勻程度,使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了鍍層的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:當SH110濃度為10mg/L時,經(jīng)過短時間電鍍,就出現(xiàn)了“蝴蝶現(xiàn)象”,經(jīng)過18h電鍍,實現(xiàn)了超填充電鍍封孔。對厚徑比為10的通孔進行電鍍,通過調(diào)節(jié)添加劑的使用濃度,得到了4種均鍍能力超過

5、90％的優(yōu)良添加劑體系。這4種添加劑體系和最佳使用濃度為:SH110(1mg/L)-PEG(100mg/L)-PP14Br(20mg/L),SH110(1mg/L)-PEG(200mg/L)-NTBC(3mg/L),SH110(1mg/L)-PEG(200mg/L)-JGB(1mg/L),SH110(1mg/L)-PEG(100mg/L)-脂肪胺聚氧乙烯醚(AEO,10mg/L)。同時驗證了ST不是一種有效整平劑的預測。對于厚徑比為20

6、的通孔電鍍,使用SH110(50mg/L)-PEG(200mg/L)-PP14Br(40mg/L)時,得到的均鍍能力為76.1%,達到了對厚徑比為20的通孔的電鍍要求。
　　使用旋轉(zhuǎn)圓盤電極,結(jié)合動態(tài)極化曲線、恒電流E~t曲線對添加劑的電化學行為進行了測試,使用AFM、XPS對添加劑的吸附行為進行了表征,使用量子化學計算的方法獲得并對比了一些添加劑的電子結(jié)構(gòu)信息,系統(tǒng)研究了添加劑在通孔電鍍過程中的作用機理。結(jié)果表明:SH110是一

7、種促進劑和抑制劑或整平劑的結(jié)合體,它可以在銅表面形成一層吸附膜,體現(xiàn)出抑制劑的作用方式,這種抑制作用更容易出現(xiàn)在陰極的強對流區(qū);其促進作用主要出現(xiàn)在陰極的弱對流區(qū),這是在通孔電鍍中出現(xiàn)“蝴蝶現(xiàn)象”和實現(xiàn)超填充完美封孔的原因。整平劑PP14Br和NTBC的加入不僅增大了鍍液的陰極極化,而且增大了不同強度對流下的陰極電勢差值,這使得Cu2+在孔口等強對流區(qū)受到的抑制作用更強,有助于提升孔內(nèi)鍍層的均勻性。NTBC會在陰極銅表面形成一個吸附層,

8、此吸附層導致了對Cu2+沉積過程的強烈抑制作用。JGB可以影響陰極電勢和陰極極化,而ST對于陰極極化和陰極電勢幾乎沒有影響。JGB分子的最高占據(jù)軌道(HOMO)值大于ST的HOMO值,表明JGB具有更強的電子供給能力,這使得JGB能夠通過向銅原子的空d軌道貢獻電子成鍵而形成吸附,這種吸附作用最終使得其可做為整平劑使用,而ST不具有這種作用。JGB在銅表面的化學吸附過程中,對氨基偶氮苯和N=N區(qū)域的作用比季銨化的N原子的作用強得多,而ST