孔金屬化

孔金屬化是指各層印製導線在孔中用化學鍍和電鍍方法使絕緣的孔壁上鍍上一層導電金屬使之互相可靠連通的工藝。金屬化孔雙面印製板製造工藝的核心問題是孔金屬化過程。金屬化孔的要求是嚴格的，要求有良好的機械韌性和導電性，金屬化銅層均勻完整，厚度在5一10 μm之間，鍍層不允許有嚴重氧化現象，孔內不分層、無氣泡、無鑽屑、無裂紋，孔電阻在1000μΩ(十五所標準是500μΩ)以下。

基本介紹

• 中文名：孔金屬化
• 外文名：Plated Through Hole
• 縮寫：PTH
• 又稱：沉銅，孔化，鍍通孔

孔金屬化

印製電路板孔金屬化技術是印製電路板製造技術的關鍵之一。金屬化孔是指頂層和底層之間的孔壁上用化學反應將一層薄銅鍍在孔的內壁上，使得印製電路板的頂層與底層相互連線。

工藝流程

鹼性除油→二或三級逆流漂洗→粗化（微蝕）→二級逆流漂洗→預浸→活化→二級逆流漂洗→解膠→二級逆流漂洗→沉銅→二級逆流漂洗→浸酸 　一）鹼性除油

① 作用與目的：

除去板面油污，指印，氧化物，孔內粉塵；對孔壁基材進行極性調整（使孔壁由負電荷調整為正電荷）便於後工序中膠體鈀的吸附；

② 多為鹼性除油體系，也有酸性體系，但酸性除油體系較鹼性除油體系無論除油效果，還是電荷調整效果都差，表現在生產上即沉銅背光效果差，孔壁結合力差，板面除油不淨，容易產生脫皮起泡現象。

③ 鹼性體系除油與酸性除油相比：操作溫度較高，清洗較困難；因此在使用鹼性除油體系時，對除油後清洗要求較嚴

④ 除油調整的好壞直接影響到沉銅背光效果；

（二）微蝕：

① 作用與目的：

除去板面的氧化物，粗化板面，保證後續沉銅層與基材底銅之間良好的結合力；

新生成的銅面具有很強的活性，可以很好吸附膠體鈀；

② 粗化劑：

目前市場上用的粗化劑主要用兩大類：硫酸雙氧水體系和過硫酸體系，硫酸雙氧水體系優點：溶銅量大，（可達50g/L），水洗性好，污水處理較容易，成本較低，可回收，

缺點：板面粗化不均勻，槽液穩定性差，雙氧水易分解，空氣污染較重

過硫酸鹽包括過硫酸鈉和過硫酸銨，過硫酸銨較過硫酸鈉貴，水洗性稍差，污水處理較難，與硫酸雙氧水體系相比，過硫酸鹽有如下優點：槽液穩定性較好，板面粗化均勻，

缺點：溶銅量較小（25g/L）過硫酸鹽體系中硫酸銅易結晶析出，水洗性稍差，成本較高；

③ 另外有杜邦新型微蝕劑單過硫酸氫鉀，使用時，槽液穩定性好，板面粗化均勻，粗化速率穩定，不受銅含量的影響，操作簡單，適宜於細線條，小間距，高頻板等

（三）預浸/活化：

⑤ 預浸目的與作用：主要是保護鈀槽免受前處理槽液的污染，延長鈀槽的使用壽命，主要成分除氯化鈀外與鈀槽成份一致，可有效潤濕孔壁，便於後續活化液及時進入孔內活化使之進行足夠有效的活化；

⑥ 預浸液比重一般維持在18波美度左右，這樣鈀槽就可維持在正常的比重20波美度以上；

⑦ 活化的目的與作用：經前處理鹼性除油極性調整後，帶正電的孔壁可有效吸附足夠帶有負電荷的膠體鈀顆粒，以保證後續沉銅的均勻性，連續性和緻密性；因此除油與活化對後續沉銅的質量起著十分重要的作用，

⑧ 生產中應特別注意活化的效果，主要是保證足夠的時間，濃度（或強度）

⑨ 活化液中的氯化鈀以膠體形式存在，這種帶負電的膠體顆粒決定了鈀槽維護的一些要點：保證足夠數量的亞錫離子和氯離子以防止膠體鈀解膠，（以及維持足夠的比重，一般在18波美度以上）足量的酸度（適量的鹽酸）防止亞錫生成沉澱，溫度不宜太高，否則膠體鈀會發生沉澱，室溫或35度以下；

（四）解膠：

⑩ 作用與目的：可有效除去膠體鈀顆粒外面包圍的亞錫離子，使膠體顆粒中的鈀核暴露出來，以直接有效催化啟動化學沉銅反應，

? 原理：因為錫是兩性元素，它的鹽既溶於酸又溶於鹼，因此酸鹼都可做解膠劑，但是鹼對水質較為敏感，易產生沉澱或懸浮物，極易造成沉銅孔破；鹽酸和硫酸是強酸，不僅不利與作多層板，因為強酸會攻擊內層黑氧化層，而且容易造成解膠過度，將膠體鈀顆粒從孔壁板面上解離下來；一般多使用氟硼酸做主要的解膠劑，因其酸性較弱，一般不造成解膠過度，且實驗證明使用氟硼酸做解膠劑時，沉銅層的結合力和背光效果，緻密性都有明顯提高；

（五）沉銅

作用與目的：通過鈀核的活化誘發化學沉銅自催化反應，新生成的化學銅和反應副產物氫氣都可以作為反應催化劑催化反應，使沉銅反應持續不斷進行。通過該步驟處理後即可在板面或孔壁上沉積一層化學銅。

原理：利用甲醛在鹼性條件下的還原性來還原被絡合的可溶性銅鹽。

空氣攪拌：槽液要保持正常的空氣攪拌，目的是氧化槽液中的亞銅離子和槽液中的銅粉，使之轉化為可溶性的二價銅。

工藝維護

（一） 鹼性除油劑：

① 生產注意維護內容：槽液的溫度應在60-80度範圍內，溫度低於60度不應開始生產，否則會造成沉銅不良；槽液濃度應維持在4-6%，濃度過低，除油調整效果不佳，同樣也會影響活化沉銅效果；除油濃度過高（超過10%），會造成水洗困難，容易引起板面水洗不良而造成的起泡脫皮現象；除油時間應控制在6分鐘左右，不宜太短，否則也會造成活化沉銅效果不佳；

② 藥品添加維護：應根據生產板面積累加來及時補充藥品，添加頻率應根據槽子體積的大小和生產的方便來調整，一般，100升沉銅槽添加除油劑大約按100平米添加0。6升為最佳；隨著生產的不斷進行，槽液也會不斷發生老化，一方面是鑽孔粉塵，油污，銅離子等清洗異物，一方面是在長期高溫條件下，有機物的分解，二者不斷的累積會影響除油調整效果，因此達到一定產量後，槽液需要更換，重新開缸；一般除油更換每升工作液生產約20平米左右即可更換，同時除油液中銅含量也可作為槽液老化的一項參考指標，因各家配方原料不一，因此對銅離子的容忍度也有很大不同，我公司除油液銅含量可高達3-4克/升；

③ 過濾系統：一般建議除油槽加裝過濾系統，不僅可以有效過濾槽液中的粉塵雜質，同時也可有效攪拌槽液，增強槽液對孔壁的清洗調整效果；濾芯一般使用5—10um的PP濾芯，每小時過濾4-6次；

④ 板面經除油水洗後，應該沒有油污，氧化斑存在，即為除油效果良好；

⑤ 板件從除油槽取出時，應注意滴液，儘量減少槽液帶出損失，已造成不必要的浪費和增加後清洗的困難度；

⑥ 除油後水洗要充分，建議採用熱水洗後，加1-2道自來水洗；

（二）微蝕：

① 生產注意事項：微蝕槽生產主要是注意時間控制，一般時間在1-2分鐘左右，時間過短，粗化效果不良，板面發花或粗化深度不夠，沉銅電鍍後，銅層結合力不足，易產生起泡脫皮現象；粗化過度，孔口銅基材很容易被蝕掉，形成孔口露基材，造成不必要的報廢；另外槽液的溫度特別是夏天，一定要注意，溫度太高，粗化太快或溫度太低，粗化太慢或不足都會產生上述質量缺陷；微蝕槽如使用過硫酸鹽體系時，銅含量一般控制在25克/升以下，銅含量太高，會影響粗化效果和微蝕速率；另外過硫酸鹽的含量應控制在80—120克/升；

② 微蝕槽在開缸時，應留約1/4的舊槽液，以保證槽液中有適量的銅離子，避免新開缸槽液粗化速率太快，過硫酸鹽補充應按50平米/3—6公斤來及時補充；另外微蝕槽負載不宜過大，亦即開缸時應儘量開大些，防止槽液因負載過大而造成槽液溫度升高過快，影響板面粗化效果；

③ 板面經微蝕處理後，顏色應為均勻粉紅色；否則說明除油不足或除油後水洗不良或粗化不良（可能是時間不足，微蝕劑濃度太低，槽液銅含量太高等原因造成），應及時檢查反饋並處理；

④ 板件從水洗槽進入微蝕槽應注意滴水，儘量減少滴水帶入，造成槽液稀釋和溫度變化過大，同時板件從微蝕槽取出時，也應注意滴液時間充分；

（三）預浸/活化

① 預浸液維護主要是槽液的比重和鹽酸含量；槽液的比重主要取決於亞錫離子和氯離子的含量，鹽酸主要是防止亞錫離子的水解和清洗板面氧化物；預浸槽槽液比重一般控制在18波美度左右，至少在16波美度以上；活化槽主要是監測槽液的活化強度，一般活化強度控制在30%左右，至少在20%以上，時間在7分鐘左右；活化槽的比重只是作為參考項目，一般不需監測，只要預浸槽維護正常，鈀水正常添加，鈀槽比重即可維持20波美度以上；溫度較低時，特別是冬天，活化槽應注意溫度控制，溫度應保持在25度左右；

② 預浸槽槽液一般也按每升工作液生產20平米產量更換，有時也用銅含量作為參考控制項目，一般銅含量控制在1克/升以下；開缸時多採用預浸液原液開缸，補充時採用預浸鹽；預浸鹽的補充100升工作槽添加多按每50平米添加預浸鹽2公斤左右；

③ 鈀槽使用壽命較長，維護良好時，可使用3-5年，槽液100升一般按50平米補加約200-300毫升膠體鈀，

④ 鈀缸應加裝過濾系統，注意過濾系統預槽液接觸處均應無金屬存在，否則槽液會腐蝕金屬，繼而污染鈀缸，造成鈀缸報廢和生產板的質量問題；

⑤ 板件從水洗槽取出進入預浸槽前，應注意減少滴水帶入，以免稀釋預浸液，降低槽液酸度，造成亞錫水解，槽液變混濁，同時也會污染活化槽；板件經預浸槽後直接進入活化槽，活化後應注意滴液，減少帶出損失；

⑥ 活化後水洗要充分，減少板面污染；板面水洗後，顏色應均勻，無明顯孔口流液痕跡；

（四）解膠

① 解膠液主要是控制槽液濃度，一般控制在10%左右，時間控制在5分鐘左右，冬天應注意溫度控制；

② 解膠液的更換一般也按上述除油和預浸的更換規則更換，除此之外，解膠液的銅含量也作為一個參考監測項目，銅含量一般控制在0。7克/升以下；

③ 板件從水洗進入解膠槽或從解膠槽取出時應注意滴水充分，保證槽液和生產的穩定性；板面水洗後，顏色應均勻，無明顯孔口流液痕跡；

（五）沉銅

① 沉銅槽主要是添加AB藥水，A藥水主要補充銅和甲醛，B藥水主要補充氫氧化鈉，AB液應該均衡添加，以防槽液比例失調；

② 沉銅槽藥水一般是溢流或定期舀出部分廢液，及時補充新液即可；沉銅的添加一般按6-10平米AB液各加1升左右；

③ 沉銅槽應保持連續的空氣攪拌，建議加裝過濾系統，使用10um的PP濾芯，每周應及時更換濾芯；

④ 應定期清洗沉銅槽內的析銅，否則會造成不必要的浪費和槽液的穩定性變差，清洗時可用廢舊微蝕液浸泡乾淨後，徹底水洗乾淨後方可備用，以防微蝕劑污染沉銅槽；清洗時，應將槽液倒入一乾淨的備用槽內，並保持輕微空氣攪拌；不生產時，槽液只要保持輕微空氣攪拌即可；生產時空氣攪拌液不宜太大，否則甲醛會揮發，槽液穩定性差，同時車間環境也會變差，無論從生產穩定，還是從車間環境安全來講，大家都應該注意控制；

⑤ 沉銅液在長期停置不生產時，應該做報廢處理；同時，沉銅液100升的槽體積在生產3000平米左右應重新開缸配槽；

⑥ 沉銅後板件應水洗乾淨，然後放入2%的稀硫酸液浸泡；主要是除去板面上銅鈍化膜，以免影響化學銅與電鍍銅之間的結合力；

存在的問題

（1）工藝複雜

（2）使用貴金屬Pd活化液，價格較高。

（3）環境污染，化學鍍銅是使用甲醛作為還原劑，對身體危害極大。

（4）微小孔金屬化質量不可靠，鍍夜的均鍍和深鍍能力有待進一步提高。

工藝改進途徑

（1）環保新型工藝

禁止使用含鹵基板已成為世界趨勢[Czs}，甲醛也被列為限制使用的化學藥品Czs7。次磷酸鈉、硼氫化鈉、二甲胺基硼烷（DMAB)、水合麟可以替代甲醛，但是這些還原劑不穩定，價格高，仍不能廣泛被工業生產所接受，尋求能夠代替甲醛類的還原劑將仍是今後研究的一個主要課題。

（2）直接孔金屬化

鑒於傳統化學鍍銅存在的問題，從上世紀80代起人們就開始進行替代化學鍍銅的直接電鍍工藝的研究。90年代進入實用階段，並在不斷地改進和完善。直接孔金屬化工藝有導電性聚合物體系和炭黑(石墨)懸浮液體系。

導電性聚合物或炭黑沉積在PCB孔中，用來替代化學鍍銅層，因此取代了化學鍍銅工藝。用於PCB孔金屬化的導電高聚物有聚毗咯、聚苯胺、聚唾吩及其衍生物，PCB經過鍍前處理後，將PCB基材浸於導電性聚合物懸浮液中，或粒徑小於2μm的炭黑和石墨懸浮液中，其導電性聚合物或炭黑濃度必須足以在基材表面上生成一層能夠確保電鍍銅所要求的導電性塗層。

由於直接孔金屬化工藝取代了化學鍍銅，減少了甲醛污染，而且不需要使用貴金屬把催化劑，因此也降低了成本。

（3）提高電鍍銅液均鍍與深鍍性能

電子產品安裝技術高密度化使PCB導電通孔形態及尺寸發生很大的改變，通孔直經越來越小，插孔安裝(TMT)要求通孔直徑為。0.8-0. 9mm，表面貼裝((SMT)要求通孔直徑為。0.5-0.25mm，超高密度PCB要求通孔直徑為0.4mm。而且PCB向多層發展，使得厚徑比越來越大，如小孔金屬化，孔徑為0.2mm，板厚為2.5-3mm，最大厚徑比達到15：1。這樣則要

求電鍍銅溶液具有更優越的均鍍與深鍍性能。

為了改善鍍液性能，人們在電鍍銅液中加入了許多添加劑。研究最多的添加劑是光亮劑和整平劑。整平劑是通過抑制金屬結晶過程中峰尖放電和催化低谷金屬結晶還原效應來實現金屬層整平作用的，而光亮劑則主要是通過增大極化作用影響鍍層的晶粒尺寸、晶面結構等來實現鍍層光亮的。由於光亮劑和整平劑均具有整平和光亮作用，實際運用中很難區別光亮劑和整平劑。乙撐硫脈脲(N),2-鎦基苯駢咪唑(M),2-唑啉基一聚二硫丙烷磺酸鈉(SH-110),聚二硫二丙烷磺酸(SP)等是常用的光亮劑。聚二硫二丙烷磺酸(SP)單獨使用時無光亮效果，且有負整平作用，但與其它光亮劑混合使用時則既可以整平又光亮。分子量600。以上的聚二乙醇（P)能使鍍層結晶細緻平整，與其它光亮劑配合使用起到光亮效果。目前，我國光亮劑與美國安美特公司和日本大和株式會社的210型硫酸鹽鍍銅光亮劑相比，差距表現在深鍍能力、整平性、親水性及工藝條件範圍上。上海永生助劑廠沈品華等進行了聚乙烯亞胺的季胺化加成物研究，並研製出PN酸銅深鍍劑，縮短了與“210”光亮劑的差距。實際上添加劑如整平劑、潤濕劑、延展劑、光亮劑等其作用是相輔相成的，其協同作用機理有待進一步研究。

另外，提高鍍液溫度能夠提高鍍液電導率，進而能夠提高均鍍和深鍍能力。但是，高溫下有機添加劑特別易耗損，因此一般電鍍銅操作溫度為10—35℃。研究適應較高溫度的有機添加劑無論對降低生產成本、提高工作效率以及鍍層質量均有重要意義。