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電鍍銅的歷史演變

在BGA球腳的焊盤內設置Micro Viain Pad,既可以節省板上的土地,又可以改變以往的狗骨頭層間長通孔的間接互連,變成上下短直的盲過孔互連。不僅可以減少短線長度和孔長度以抑制高頻寄生噪聲,還可以避免Gnd/Vcc銅內表面被通孔擊穿,從而使返回路徑的返回軌跡不被損壞,這將更有利於高頻信號完整性的整體利益。

但是當采用這種方法在下遊印刷錫膏,對球腳進行回流時,焊盤上的很多微小盲孔必然會吸引壹些不正當的錫膏流入。這具有負面影響;錫的流失壹方面會導致焊點強度不足,另壹方面可能會導致盲孔內錫膏助焊劑氣化,吹爆惱人的空洞,兩者都讓焊點的可靠性堪憂。

而且為了追求高頻傳輸的質量,設計師在01之前“1+4+1”加壹層壹次的做法,已經逐漸變成了現在的“2+2+2”加壹層兩次更新。這個“加兩種”的最新規則,使得內層的傳統雙面板(核心)只起到Vcc/Gnd等銅面的參考作用。幾乎所有傳輸數據的信號線都鋪設在後續層中,沒有玻璃纖維(DK低,信號質量好)。這樣,外層中壹些必須接地或被電源壓住的二階盲孔,甚至可能位於已經被埋通孔填滿的頂環或底環上。這種高難度的工藝領域在大量的BGA球焊盤上出現過。可惜的是,在二階盲孔凹陷,孔徑擴大的情況下,鍍銅的空洞比壹階盲孔還要多,讓本來就很棘手的小焊點問題更加嚴重,苦不堪言。所以手機板的客戶為了維持整體功能,不得不反復要求電鍍銅盡可能的填充盲孔。

到現在為止,現役酸性鍍銅的能力只能說充多少。如果微盲孔的孔徑小於3mi,並且大多數用於密封裝載板,則填充問題並不嚴重,並且壹些商業鍍銅工藝相當令人滿意。而二類手機板BGA球焊盤的二階盲孔不僅有6-8 mil那麽大,而且有接近3mil的漏鬥狀深度。隨著最新的出現,使用超高難度的節距(0.5mm或20mil-Pitch)來封閉和擠壓焊盤表面空間,使焊盤直徑緊急縮小到只有12-14 mil左右,盲孔表面的環寬只有3mil。如此有限而危險的地形錫膏焊接,安全不令八頻捏了不少冷汗?因此,通過填孔鍍銅幾乎成為壹種勢在必行的工藝。有經驗的讀者可能還記得,在7年前的奔騰(586)時代,它的CPU是以“帶對帶自動組合(TAB)模式封裝的。這種大規模芯片封裝完成後,下遊側的多引腳組件需要進行焊接和組裝。QFP四面擴展鍵合的I/O***是320腳,單面80個平行擴展腳相互緊密排列,這樣要承接的矩形焊盤也是並排,密集,平方英寸之間的間距擠到10mil以內!墊的寬度只有5密耳,墊的間距在5密耳以下。這麽難的錫膏印刷,多焊盤窄面,誰能保證不出錯?即使焊膏印刷可以通過,但是貼裝和回流焊這兩個難度更大的工序如何在量產中完全不短路呢?

但是,重賞之下必有勇夫。當時日本商人古川電機開發了壹種非常奇特的超級焊料工藝(詳見PCB咨詢雜誌第74期)。方法是在鋼板(模版)上對著80個密墊的壹面切壹個簡單的縫隙,然後不管銅墊還是間距,把超級焊膏全部印上去。巧妙的是,在隨後的高溫熔錫過程中,熔錫層只生長在狹長的銅墊上,空間裏全是無錫層,連殘留的錫或錫珠錫渣都沒見過。所以,在這種精準預焊的秘密武器下,只要把P-I的320個引腳全部仔細對準並蓋章,熱棒就可以像烙鐵壹樣進行壓焊。高雄的華泰電子組裝了大量這種搭載CPU的小型精密卡板。

好景不長。這個用在CPU上很難的TAB,不到三年就被淘汰了。客觀形勢迫使英特爾放棄了壹直倡導的TAB,采用摩托羅拉的BGA封裝高價高難度的CPU。於是1999年球腳組裝的奔騰二代SECC卡正式登臺,導致超級焊膏的輝煌業績立刻黯然失色,昂貴的“火蜥蜴”生產線幾乎成了廢鐵。技術改造造成的投資損失不僅無奈,而且不可預測。

然而,誰也沒想到,幾年後的今天,手機板上微小的BGA球焊盤上的壹階或二階盲孔,竟然可以用早已過時的“超級焊料”提前焊接填充,極大地滿足了下遊組裝的良率和可靠性。在這種秘密武器的虛張聲勢下,當然暫時不用擔心鍍銅填坑。而這種替代嫁接的剩余價值,只是某些特定廠商尋求幫助的意外機會。盲孔鍍銅仍然是業內普遍而迫切的需求。在80年代以前,硫酸銅(簡稱酸銅)的鍍銅工藝只是在裝飾亮鎳之前作為底漆出現。85年後,由於PCB使用的高溫焦磷酸銅差異不盡人意,逐漸采用了低溫硫酸銅,終於讓這種冷門的毛玉金有了壹次大放異彩的機會。但其基本配方改為酸性銅比例極高(10: 1)的新型酸性銅,以應對穿孔的分布力,提高延展性(延伸率或伸長量)。

從2001開始,由於水平鍍銅的高電流密度要求和盲孔填充的最新挑戰,其酸銅比又回到了之前裝飾銅1: 1的目標。這種裝飾性酸性銅最大的特點是具有極佳的微拋力,可以輕松愈合和撫平表面劃痕和凹陷,從而大大有利於3密耳以下的小淺盲孔的填充。並且因為孔長度與孔徑的縱橫比仍然很低,所以不太可能被熱應力破壞。然而,壹旦微盲孔的直徑達到6mil以上甚至二階深盲孔,其填充概率就會大大降低,這壹困難至今仍未克服。以下是高速鍍銅液的典型組成(平均陰極電極密度CCD為80-100asf),其中酸與銅的重量比為1:1:

如果在這個公式中使用常規的電流密度(20-40 ASF ),酸與銅的比例應該在6:1以上。如果要改用低速鍍銅(5-15ASF),酸銅比可以提高到10-15/L,所以基本配方千差萬別,完全取決於操作條件。對於影響最大的有機添加劑,其市售制劑的性質各不相同,只有通過現場操作才能找到最佳情況。通常這種裝飾銅的厚度很薄(小於0.5密耳),主要目的是減少劃痕和凹陷,平滑底村,使後續的裝飾鎳和薄鉻層能有更好的光澤。至於抗拉強度或伸長率,對於裝飾用戶來說通常不是很講究。為了使孔壁的銅厚度滿足規範要求(平均lmil)和經受住熱應力的考驗(以前在288℃下每十秒鐘浮壹次錫而不破孔,現在由於加了封裝載板,PCB用的酸性銅壹般改為下面的配方,酸銅比為10/1)。

這種典型的鍍液在很長時間後仍然被廣泛應用於工業中,並且當通孔的縱橫比增加時,酸銅比也必須增加,以保證通孔銅厚度的通過和均勻性。酸性銅的操作壹定要吹,其作用是輔助槽液的攪拌達到濃度均勻,減少亞銅離子(Cu+)的出現,輔助添加劑發揮作用,幫助驅趕不良的氫氣在板面或孔口的堆積。

吹洗應幹凈幹燥,吹洗量可根據浴槽液位設定(FT3/min;;CMF).壹般電路板的吹風不要太強,風速在1.5-2.5CFM/ft2左右,高縱橫比(5/1以上)的板吹風量要降到1.0-1.5 cfm/ft2。相反,太強的渦流會造成魚眼或菜落在深孔兩端的環形圈上。

最好將吹管直接放在陰極表面正下方的槽底,千萬不要放在陽極下面,以免塗層粗糙。框架的高度可以在2-3英寸左右,吹管在向下方向的左右兩側排成兩排,每隔壹英寸做壹個交錯的吹孔,兩排孔之間的夾角約為35-40°。在這樣的攪拌下,可以減少汙物在罐底部的沈積。至於陰極棒的往復機械攪拌,板表面450的方向是合適的。有些廠商甚至用垂直彈跳振動來驅趕氫氣。

整流器紋波要控制在5%以下(註意這個數據要在動態連續供電的實際量產下測量,而不是靜態空載簡單測量),設備必須連續運行。濾芯的孔隙率約為3-5 μm。正常的翻身應該是每小時2-3次左右。需要註意的是,回槽的噴嘴壹定不能混入細小氣泡,以減少待鍍表面的球坑或彈坑。為了自動化和符合深孔銅厚度,以及大面積薄板量產的可能性;

部分PCB廠商從傳統的DC掛鍍轉變為自走式水平鍍銅;供電方式也采用原裝DC電源或RP反向脈沖電流。而且由於陽極和陰極之間的距離大大縮短(到5mm以內),由於槽電阻的急劇下降,可用電流密度也大大提高到80ASF以上,使鍍銅的生產速度提高了壹倍。常見的公式如下:

這種始於1997的高速臥式鍍銅,壹開始仍然使用可溶性鋼球陽極,但為了補充高速鍍銅的快速消耗,平均每三天就要停機壹次折頁機,以便在其上下鈦筐中添加銅球。這種早期量產走走停停的痛苦經歷,迫使後來的臥式鍍銅線幾乎全部改裝成鈦網“不溶性”陽極。

後者由於其陽極反應,沒有“溶銅”的反應過程,電流對槽液的作用幾乎全部用於H2O的電解,使過多的氧氣聚集在陽極附近,使添加劑受到比以前多幾倍的攻擊和開裂。這不僅造成了大量的浪費,而且鍍銅層的物理性能也不如傳統的慢掛鍍。此外,臥式設備(尤其是RP反向脈沖整流器)成本高、不溶性鈦陽極(後面會介紹)壽命短、機組維護困難等負面因素也逐漸讓臥式自行鍍銅的熱潮大不如前。目前正在興起的立式自走鍍銅,修復了兩側懸掛的鈦筐和鋼珠。這種半復古平板深浴自走式掛鍍效果如何?還需要長期的量產現場經驗才能得到最終的判斷和肯定。必須采用化學純度級(CP級)或以上的硫酸銅。含有五個結晶水(CuSo4 5H2O)的藍色細晶與純水混合,得到的二價藍色銅離子(或銅遊子)是直接供應塗料的原料。當銅離子的濃度高時,可以使用更大的電流密度,大大提高電鍍速度。硫酸I提供了槽液的導電目的,防止了相同離子作用下銅離子濃度高造成的銅鹽晶體損失。壹般來說,當酸銅比較低時,鍍液的微拋能力會較好,待鍍表面的劃痕和凹陷會有快速填充的特殊效果,是目前各種金屬電鍍工藝中最好的。

當酸銅比提高到10/1以上時,有助於PCB的孔銅增厚。尤其是高深寬比的深孔(4/1以上)幾乎成為了必要手段。相對而言,這種方法在填充表面缺陷方面不如前者有效。氯離子——普通的酸性鍍銅和酸性鍍鎳都必須加入氯離子。最初的目的是當電流密度增加時,幫助陽極保持其可溶性活性。也就是說,當陽極反應過度興奮,出現過多的氧氣或過強的氧化態時,此時氯離子憑借其強電負性和還原性,可以幫助陽極溶解,減少其不利影響。

最近很多關於PCB鍍銅的研究發現,氯離子還可以輔助有機添加劑(尤其是載體)發揮其多種功能。此外,氯離子濃度對鍍銅層的延展性和抗拉強度也有明顯的影響。每周可對鍍液中的主要成分進行2-3次化學分析,並采取必要的補充操作,以保持Cu++、SO4-和CL-的適當控制範圍。對於有機添加劑的分析,壹直以來都是以經驗為導向的赫爾槽測試板作為管理和追溯的工具。這種不科學的做法在20世紀80年代逐漸被CVS(循環伏安溶出分析法)所取代。在主動式CVS自動分析儀中,不僅硬件非常精密,很多測試項目的模擬結果也使其更加科學。這些預先設定的精確軟件程序,可以對上述三種有機添加劑和氯離子進行精確的分析和記錄,這將使酸性鍍銅的管理更加上軌道。

電化學的基礎理論很多,但是應用到實際鍍銅現場時,似乎關系不夠,有壹種無效的感覺。壹些常見的電化學書籍大多只涉及實驗室的理論和解釋,很少對實際電鍍中出現的現象進行闡述。以下是筆者根據多年的閱讀和實踐總結出來的壹點心得。我只敢說明壹些電鍍行為,希望缺點改正。由於單個電極的電極反應,無法查出其電位是多少,所以需要找壹個公共的參考標準作為相互比較的依據,從而比較各種金屬電極在某種溶液中的電極電位。電化學場基於“標準氫電極”(標準氫電極;她)作為參考。也就是說,下圖中的鉑電極(Pt)發出的H2與氫離子的反應被視為人為零電位。但是,先決條件是反應條件必須設定在壹個大氣壓(1atm)的氫氣壓力、1的氫離子活度和25℃的反應溫度。因此,在酸性溶液中可用的SHE如下:

H2->;2H+12e-EO = 0.000伏

如果以她為參比電位,再接壹個鹽橋和壹個電位器,就可以測得酸性溶液中銅棒上銅離子的標準電極電位如下:

cu++ 2e-->;Cu E0=0.337V

從電鍍的角度來看,銅離子接受電子,沈積成金屬銅,這是陰極上的還原反應。但根據壹般電路中“電子流”方向與直流電方向相反的習慣(當年科學界對電流的定義有誤),電流從正極流向負極,被鍍物就成了正極,而銅陽極就成了這個邏輯的負極。因為錯誤的習慣是長期改變不了的,所以讀者在學習或討論電鍍時,應該只采用陰極和陽極的概念,千萬不要引用壹般電路中正負極的思維,以免造成二者的混淆!因此,在酸性溶液或堿性溶液中測量各種金屬,對準氫的參比電極,得到各種金屬的“標準電極電位”,按數字順序制成表格,稱為伽伐尼級數或電動勢級數。根據電勢(指列表的上部)在該表中排名低於氫電勢的元素標有負號。數值越負,活性越高,在自然環境中越容易失去電子和氧化。或者說,越有可能對權利產生積極的反應。高於氫勢的排名(列表下部)標有加號,正值越高活性越低;或者穩定性或耐腐蝕性越好,自然就越不容易被氧化。或者:負值表示可以自然發生,正值則需要借助外力。

如果將上述金屬的電極電位相互比較,就可以看出緊密接觸的金屬之間的爪哇效應的本質。雖然上述電動序列都屬於不受外力幹擾的“可逆反應”領域,但它們在稀酸溶液中的左右反應(即它們之間和逆反應)的概率並不完全相同。例如,鋅和銅應寫成如下形式:

Zn->;鋅++- 0.762伏......①

(代表“反應性”自然發生的電極電位)

Cu & lt-銅++ 0.34伏......②

(代表能自然產生“可逆響應”的電極電位)

因此,如果將金屬鋅放在銅鹽溶液中,即當式②的逆反應與線①的正反應結合時,凈電位將為[-0.34V ten (-0.762)]或-1.102V,式③的反應功率將極高:

c u+++Zn->;CuO + Zn++ -1.102V......③

另壹方面,如果將銅金屬放在鋅鹽溶液(40%)中,其凈電位應為[(+0.34V+(+0.762)]或11.102 V,因此下式(4)中向右反應的成功率將極小,施加的電壓必須超過+1.12 V。

Cu+Zn ++ ->Cu++Zn+1.102V...④如果將兩根銅棒分別放入稀硫酸(40%)中,分別接通外接2v DC的電源,強制形成陰極和陽極,此時,陽極會發生銅溶解的氧化反應,陰極也必然會發生銅沈積的還原反應,即:

但壹旦切斷外部電源,兩根鋼筋之間的不可逆反應就會立即停止,各自固有電極電位的可逆反應就會恢復。因此,已知2V的外部電壓是故意添加的。用來強制分裂成陰極和陽極,這種極化作用可簡稱為極化。不可逆反應的電位減去可逆反應的電位得到的電位差或電壓差,就是超過固有電極電位的“過電位”或過電壓,也就是故意分開的極化電位或極化電壓。實際上,很多有機添加劑早已加入到實用的電鍍銅鍍液中,使得單質銅離子(Cu++)的外圍自動吸附了很多暫時配位的有機物,使得帶正電荷的較大的銅浮(解離)基團遷移到陰極,其在極性表面反應所需的外加電壓自然會高於單質離子。所以它的過壓或者極化情況會增加壹點。壹般來說,電鍍行業的極化概念大多集中在原配方所超過的電位或加入有機添加劑後增加的極化。通常,添加劑有兩種情況:

◆如果反應過程中極化(極化或過電壓)增大,會出現踩車現象,鍍速變慢。

◆去極化(壹般翻譯為去極化)會有加大油門,加快電鍍的效果。

有限電流密度(有限電流密度)

在現場電鍍操作中,當電壓升高時,電流也會增加。從實際電流密度來看,可以分為三個階段(參考下圖):

在壓制初期,其電流增加非常緩慢,因此不利於大批量生產。

1.電流會迅速增加,直到達到某個電壓階段,這個陡峭曲線的場就是壹般電鍍量產的工作範圍。

2.曲線到達平臺期後,即使電壓逐漸升高,電流的上升也是極不顯著的。此時已經達到正常電鍍的電流密度極限(1lim)。

此時,如果不斷提高電壓,迫使電流超過其極限,塗層的結晶會變得粗糙,甚至呈結節狀或粉末狀,並產生大量的氫氣。當然,這壹階段形成的劣質塗層並沒有用,而是故意把銅箔毛邊上的銅凸點做得超出極限,以增強握感。

下面是被鍍陰極的電流強度(Ilim)和電流密度(Jlim)的公式和說明,在各種關於電鍍的文章中特別常見。

●電鍍部件的極限電流強度為(安培a):

Ilim=

●電鍍部分的極限電密度為(ASF;A/fi2或ASD;A*/dm2)

J lim=

●當電鍍層超過極限電流時,由於沈積和積累的速度很快,晶體會變得粗糙,形成壹層質量差的鍍層,呈暗沈的瘤狀或粉末狀外觀,常呈現灰色或深色外觀,故稱為燒傷。ED銅皮粗糙表面的銅結節是故意超過極限電流造成的。

●各種攪拌(吹氣、過循環、陰極擺動等。)旨在減薄陰極膜(使δ更小)以減少濃差極化並增加其可用電流極限。此外,主浴濃度(Cb)和擴散系數(D)的增加也有助於極限電流的增加,從而增加了電鍍的反應範圍。陰極表面溶液濃度逐漸稀釋的異常液膜稱為陰極Pilm或擴散層,是指從原來的Cu++重量比下降1%(99%)到陰極0%時的薄液層。原來由水分子和銅離子組成的陰極膜,到處厚度不均勻。加入載體後,這種薄膜很快就會變成厚度增加、均勻性更好的液膜,使鍍銅層的厚度更加均勻。該試劑可以通過CVS或HPLC進行分析。

雙電層是指在電鍍槽液中最靠近陰極表面的位置,由帶正電的微觀離子層和帶負電的板面形成的壹層薄夾層,專門稱為“雙電層”。該層厚度約為10A。這是金屬陽離子在陰極上沈積和鍍覆金屬原子的最後壹道障礙。這時,帶電的金屬離子基團會在遊動中附著各種“配體”(如水分子和CN-和NH3)。或有機物等。),然後從極性面吸收電子成為原子,再按照能量原子排列,得到所需的金屬塗層。

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