印制电路板(printed circuit board,PCB)是众多电子元器件间实现电气互联的载体,因而被誉为“电子器件之母”。自1903年Albert Hanson提出在绝缘基板上使用导电箔制作电路的概念以来[1],到1936年Paul Eisner真正发明了印制电路板的制作技术[2],PCB经数十年的长足发展,完成了从简易单面板到复杂多层高密度互连板的转变,极大推动了电子工业的进步。而今,各式各样的PCB产品已被广泛用于计算机、通信、航天、医疗及高端数码等领域,成为所有电子产品不可或缺的部件[3]。
在印制电路板的绝缘孔壁上通过化学方法沉积一层2~3 μm薄铜层,使PCB各层电路或铜箔实现互连导通的工艺称为化学镀铜(俗称沉铜),该薄铜层的沉积质量直接决定了PCB的电气连接性能[4–5]。在PCB化学镀铜过程中,由于生产设备制程能力不足或沉铜工艺技术落后,沉铜层可能出现孔壁断铜[6]、铜层粗糙[7]、铜层厚度不均匀[8]、铜层裂纹及铜壁分离[9]等缺陷。而PCB在电子组件焊接过程中需耐受高温回流焊,并在正常使用阶段可能经历反复高低温冲击[10],用于卫星通信或数据服务器等领域的高频电路板更是对沉铜层的均匀性、粗糙度、结合力和抗热冲击等性能有着严格的要求[11]。在PCB制程能力的持续升级过程中,业界始终致力于开发兼具成本效益与可靠性能的化学铜沉积工艺。
作为现代物理学的一个重要分支,磁学研究指出,一切物质都有特定的磁学性质,主要由物质内部电子绕原子核运动产生的轨道磁矩以及电子自身旋转产生的自旋磁矩两部分组成。磁场对化学反应的影响也引起了国内外诸多学者的研究。Noriyuki等[12]使用原位显微镜观察12T的高磁场下的化学银沉积过程,发现银枝晶的形态从典型的扩散限制聚集(DLA)模式转变为密集的涡旋形状。Yu等[13]研究了磁场对化学镀Co-W-P薄膜的影响,发现随着磁场强度的增加,薄膜沉积速度逐渐提高,薄膜中的钴含量逐渐增加,而钨和磷的含量则减少;较高的磁场强度能够显著加速沉积过程并诱导钴原子沿(002)晶向生长形成六方钴(c-Co)结构。Shiomi等[14]研究了不同磁场强度对化学镀镍纳米线形态的影响,结果表明在强磁场下镍纳米线表面光滑且直径较小,而在弱磁场下纳米线表面粗糙且直径较大,呈现锯齿状结构;磁场强度越低,纳米线的直径越大,形态越不规则。任佩云等[15]研究发现,外加磁场可加速铜材在海洋大气中的腐蚀,但不影响腐蚀过程中反应的热力学;韩金儒等[16]在铝热还原制备CuCr(50)合金过程中外加磁场后发现,制备的CuCr(50)合金熔体能克服高Cr含量的CuCr(50)合金的易分层现象,解决了CuCr(50)合金的偏析问题,实现了CuCr(50)合金的均质化。Kołodziejczyk等[17]总结了大量磁场对金属沉积的影响研究报道,综述了恒定磁场对铜、锌、镍、铁、钴等金属沉积过程中发生的不同影响。以上实例都证实了较高磁场强度对化学沉积过程的沉积速率、沉积形貌和晶体生长方向等性质的调控作用,但对低磁场(<0.1 T)环境下的化学铜沉积行为鲜有报道。
本文以应用广泛的刚性PCB为研究对象,通过对处于不同磁场环境下的化学铜沉积过程进行速率测定、形貌表征、电化学测试等方法研究了较低的梯度磁场对PCB沉铜性能的影响,旨在改良获得更经济可靠的沉铜层,促进PCB沉铜技术的发展。
实验采用龙门式镀铜生产方式,工艺流程为:整孔→水洗→微蚀→水洗→预浸→活化→水洗→加速→水洗→化学镀铜[18],主要流程参数及所用试剂见表1。实验所用化学试剂均为西陇科学股份有限公司生产的分析纯(AR级)试剂,其余商业化产品试剂皆由信丰正天伟科技有限公司提供。化学沉铜基板为25 mm×25 mm×1 mm的Flame Retardant 4(FR-4)材料板(主要成分为玻璃纤维和环氧树脂,一种常见的PCB生产基板),并以30 mm×20 mm×10 mm钕铁硼强力磁铁作为外加磁场源。
使用烧杯作为化学镀铜槽体配置实验所需槽液,并置于恒温水浴锅(江苏中大仪器有限公司)中严格遵循各流程工艺参数进行沉铜操作。沉铜设计如图1所示,在沉铜槽体外固定钕铁硼强力磁铁作为外加磁场源,通过改变槽体大小(容量分别为100和25 ml)使永磁体距离发生变化以调整内部磁场强度。磁场强度以磁通量密度表示,使用高斯计(TD8620,长沙天恒测控技术有限公司)测试槽内不同位置处磁场强度,所测槽体内场强分布结果如图2所示。槽体内部磁场并非对称分布,而是呈现为下部磁场强度略高于上部磁场强度的状态;进行沉铜时使用夹具将基板固定在槽体中心位置,其中100 ml容量槽体中心场强为30 mT,25 ml容量槽体中心场强为60 mT。

进行化学镀前对每块基板使用万分电子分析天平(FA-2004,上海上平仪器有限公司)称重,将基板置于不同磁场环境沉铜后,冲洗烘干再称重记录,依照式(1)计算铜沉积速率(v)值:(1)式中,Δm为基板沉铜前后质量差,mg;A为基板实际受镀面积,dm2;t为基板沉铜时间,min。
不同磁场环境下的沉铜基板表面铜层微观形貌通过场发射扫描电子显微镜(SEM,JSM-6510A,日本电子株式会社)观察所得。电化学测试通过电化学工作站(上海辰华CHI660E)在传统三电极体系下进行,使用循环伏安法测试外加磁场对溶液中铜离子沉积过程的影响,并使用交流阻抗法对不同磁场环境下的沉铜基板表铜层进行抗腐蚀性能分析。
按照前文称重法在不同磁场环境下同条件进行3次沉铜操作后,取平均值绘制出的铜沉积速率与沉铜时间的关系图,结果如图3所示。可知,无论是否添加磁场,随着沉铜时间的增加,基板的沉铜速率皆表现出先增大再减小的趋势;沉铜速率在反应开始后第2~3 min出现峰值,之后随时间增加逐渐降低至稳定区间。而在沉铜槽外添加不同强度磁场后,沉铜速率整体比无外加磁场时显著增大;以沉铜后第3~7 min的速率稳定区间来看,添加磁场后的沉铜速率由未添加磁场的约8 mg·dm−2·min−1提升至10 mg·dm−2·min−1,提升幅度达25%。同时从图3还可观察到,在不同容量的槽体进行沉铜时,达到稳定区间前的阶段沉铜速率存在较大差异。该阶段基板在小槽体的沉铜速率要明显大于在大槽体的沉铜速率,这是因为溶液中铜离子沉积行为主要仍由自身浓度及其催化反应活性所控制,基板浸没在不同容量槽体时,沉铜前期其周围有效活性铜离子浓度不同导致沉铜速率出现明显差异。
图4及图5分别显示了外加30 mT磁场和60 mT磁场前后基板沉铜层的外观形貌差异。可知,沉铜过程中,基板铜层外观会由暗沉逐渐转为粉亮,外加磁场能显著加快此过程。添加磁场后,基板铜层比无磁场时更光亮鲜艳,在沉铜前3 min差异尤为明显。无磁场环境下沉铜基板表面略显粗糙,当沉铜时间小于2 min时,基板表面可观察到微量漏镀现象。将磁场强度由30 mT增大为60 mT后,以上现象反映更为显著,说明增加磁场强度有利于形成更鲜艳光亮的表面铜层。


为进一步确定磁场对铜层表面形貌的影响,使用SEM观察铜层微观形貌,图6为不同磁场环境下沉铜300和420 s后表层铜SEM形貌图像。当基板表面沉铜层较薄或不均匀时,SEM会透过表层铜观察到基材形貌。可知,在无磁场的情况下,沉铜层分布较为稀疏松散,部分位置甚至能观察到底部基材形貌 (图6(a,b,e,f));在槽体外部分别添加30 mT (图6(c,d))和60 mT (图6(g,h))磁场后,铜离子能够均匀沉积在基板表面,分布致密性显著增加。

配置不同浓度(参照电路板沉铜工艺,铜离子最佳浓度为2~5 g·L−1)的硫酸铜溶液,以玻碳电极为工作电极,铂片电极为辅助电极,Hg/Hg₂SO₄电极为参比电极,使用循环伏安法(CV)研究外加磁场环境下铜离子的沉积过程变化,CV曲线如图7所示。可知,在无磁场的情况下,随着铜离子浓度提高,铜离子的还原峰和氧化峰面积显著增大,还原峰电流密度从0.47 A·dm−2提升至2.11 A·dm−2,这表明铜离子的沉积主要仍由其浓度控制。由图7(b)可知,浓度为1 g·L−1的铜离子溶液在外加磁场下的CV曲线和无磁场时几乎重叠,这表明铜离子浓度较低时,外加磁场的作用可以忽略。当铜离子浓度依次提升至2.5和5 g·L−1时(图7(c,d)),外加磁场后的铜离子还原电位峰皆出现不同程度的负移,随着铜离子浓度升高和磁场强度增大,还原峰电位负移越明显;在60 mT磁场下,5 g·L−1铜离子溶液还原峰电位由–0.85 V负移至–0.89 V,峰电流密度由2.11 A·dm−2提升至2.34 A·dm−2。即外加磁场使铜离子还原电位峰发生了负移并增大了阴极极限电流密度,这说明磁场的加入增强了阴极的极化作用,有助于铜离子在阴极沉积时提高晶核的形成速率,降低晶体的成长速度,这样沉积的铜晶格将更加致密光滑;而极限电流密度的增加也允许铜离子有更快的沉积速率。
使用不同磁场环境下的沉铜基板作为工作电极,饱和甘汞电极为参比电极,以pH为4的稀盐酸溶液作为腐蚀液进行交流阻抗(EIS)测试,结果如图8所示。EIS谱图中容抗弧半径大小反映了镀层耐蚀能力,容抗弧的半径越大,电荷转移电阻就越大,镀层耐蚀性就越好。但图8(a)中沉积60和120 s铜层和图8(b)中沉积60 s铜层未表现出显著容抗曲线,这是因为这些沉铜层抗蚀性较差,在测试过程中已被腐蚀并暴露出底层基材,故无法完成完整的交流阻抗测试。通过对比正常图谱的容抗弧的半径可发现,基板沉铜时间越长,表层铜越厚,沉积越稳定,抗蚀能力越强;且在小槽体中沉积的铜层抗蚀性强于大槽体中沉铜层抗蚀性。在镀铜槽外加磁场后(图8(c,d)),沉铜时间较短的基板铜层也可完成整个交流阻抗测试,显示出普遍的阻抗图谱形状;且各沉积铜层相比于无磁场条件下的容抗弧有不同程度的增大。当磁场强度从30 mT增加到60 mT时,曲线的容抗弧半径也发生不同程度的增大,这些都表明不同强度的外加磁场能使基板沉铜层具有更强的抗蚀能力。
化学沉铜过程可分为基材前处理与化学镀铜两步。前处理目的在于去除板面的油污、粉尘及氧化物等脏污同时对绝缘基材进行极性调整(由负电荷转为正电荷),并对绝缘壁进行轻微咬蚀增加其粗糙度以增强后续铜壁附着力和吸附面积,形成利于化学镀铜的孔壁活化中心[19]。化学镀铜是一种典型的催化氧化还原反应,一般由金属钯催化反应,也可发生金属铜的自催化反应,作用机制如图9所示。经前处理的绝缘壁带正电荷,可吸附整体带负电荷的胶体钯颗粒;胶体钯核外围由Sn2+和过量Cl−包裹,外层负电荷相互排斥防止胶体粒子聚集沉降[20]。在浸入加速液后,胶体钯外层离子被解离,使具有高催化活性的内层原子钯裸露,沉铜槽液中的铜离子在甲醛、氢氧化钠及络合剂的协同作用下,便在裸露的胶体钯核表面被还原沉积[21–22]。化学镀铜主反应式为:(2)由式(2)可见,被还原的铜原子自身也具有催化作用,沉铜反应可以在新的铜晶核表面上继续进行。但钯的催化活性远高于铜,因此2.1节中铜沉积速率会在2~3 min出现峰值,随后逐渐降低至稳定值。
国内研究学者对磁场如何影响物质的理化性质进行了长期的探索研究,成功证实了外加磁场对化学反应的定向调控作用,并由此提出了洛伦兹力理论、自由基对理论和磁力键理论等机制模型[23–27]。但由于磁场影响因素较多,力学性质复杂,现存的各种假说皆无法完美阐述磁场对化学反应的影响机制。经分析研究,磁场对铜沉积性能的影响可能为磁场对带电离子具有洛伦兹力和磁梯度力的作用,致使化学反应界面产生磁流体动力学效应(MHD)导致。该作用机制示意图如图10所示,顺磁性Cu2+在非均匀磁场中运动时,同时受到洛伦兹力和磁梯度力的作用,这两种力的合力促使Cu2+在磁场中形成由溶液移向反应界面的定向移动,从而在反应界面的微观凸起及凹陷处诱导形成微涡流(微MHD效应)。微MHD效应促进了镀液的对流,产生了微搅拌作用,使扩散层厚度减薄,增强离子传输,促进局部沉积速率。此外,Cu2+沉积时首先吸附在反应界面的活性点上形成晶核,再逐渐生长形成晶体;在此过程中晶核的形成速度大于晶体的成长速度,将有利于形成更致密的沉积层。反应界面形成的微涡流会促进铜沉积反应生成的氢气气泡加速脱离,减少对Cu2+传输的阻碍并暴露更多成核活性位点;成核位点数量增多使晶粒细化,提升沉积层均匀性和致密性。
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