电引发法制作PCB线路的研究

陈世荣 罗观和 胡光辉 罗小虎

广东工业大学轻工化工学院

1 引言

印制电路板（PCB）是信息工业最基础的电子产品之一，已经成为信息产业界的重要产业。我国是世界PCB生产的第一大国，但制造过程大多采用减成法，从而易产生金属铜的浪费，并导致工序长、成本高、污染大、能耗高等特点[1]。目前各发达国家，如美国、日本、英国、韩国以及欧盟等正在大力开发技术含量高、材料消耗少、多功能化、环境友好的新型PCB制造工艺。要适应这种发展趋势，现今PCB的制造方法必须发生根本性的改变。近几年出现的印制电子（Printed Electronics）技术引人瞩目，将给PCB的制造带来革命性的变化。“全印制电子技术”[2]（Print FuIl Electronic Technology）是指采用快速、高效和灵活的数字喷墨打印技术，在基板 （无铜箔）上面形成的导电线路和图形，或形成整个印制电路板的过程。但全印制电子技术目前存在喷墨打印设备昂贵、导电银浆昂贵、导电铜浆易氧化等问题。

本文采用丝印工艺在PET基材上印制碳粉或碳浆电路图形，用电引发化学镀的方法使电路图形金属化。介绍电引发化学镀的基本原理和基本的工艺过程，探讨电引发化学镀铜的操作电压（恒压操作）、分析镀层与油墨层结合力、化学镀的时间对电路图形金属化的影响及对镀铜层的厚度、电阻和外观的影响。

2 电引发化学镀的基本原理与工艺过程[3]

2.1 基本原理

电引发化学镀是在外电流的作用下将需要化学镀的金属，如金、银、铜、镍、钯、铂等离子，从镀液中还原沉积在电路图形上，利用上述还原沉积金属的自催化活性引发后续的化学镀过程。

2.2 工艺步骤

加成法制作PCB电路图形的工艺流程设计如下：（1）在PET基材上采用450目的丝网印刷形成碳粉或碳浆等导电材料形成的图形；（2）将（1）制备的电路图形浸入化学镀液中，如化学镀铜溶液、化学镀镍溶液，控制相应的操作温度。（3）化学镀液中放入两根电极：用不锈钢作惰性阳极，连接直流稳压（或稳流）电源的正极；用铜、镍、不锈钢等金属或合金作阴极，连接电源的负极。（4）设定适当的电压或者电流后，接通电源，以阴极接触印制的图形线路，由于碳浆线路具有导电性，因而能够引发化学镀过程。（5）化学镀适当的时间后，取出电路图形，可获得选择性好、镀层均匀、附着力强的金属化电路图形。电引发化学镀的流程如图1。

图1 电引发化学镀流程图

2.3 化学镀铜液的组成及操作条件

化学镀铜液使用Rohmhaas公司生产的药水，各组分比例见表1。

表1 化学镀铜液组成

操作条件为：pH 12.0～12.5；温度：40 ℃ ～ 50 ℃

2.4 后处理

电引发化学镀后的后处理工艺流程如图2。

图2 后处理流程

上述的电引发化学镀及后处理流程，工艺简单，容易操作，只需控制操作电压和刷子的移动速度即可。

3 实验结果与讨论

3.1 操作电压对镀层外观、线路电阻、附着力等的影响

采用不锈钢作惰性阳极，导电性良好的毛刷状的刷子作为阴极，阴极来回接触导电图形，接触时间为90s,调整不同的操作电压进行电引发，电引发后化学镀时间为15 min。实验结果如表2。

表2 稳压操作时，电压对化学镀铜的影响

由表2可知，操作电压1 V ～ 2.5 V不能有效的引发化学镀铜；电压3 V ～ 5 V能够有效地引发化学镀铜，并获得均匀、电阻较小、附着力合格的镀层，同时镀液能够稳定的长时间使用；电压5.5 V ～ 7 V能有效地引发化学镀铜，但由于电压较高导致产生初生态的铜过多，反应活性高，镀层容易起皮，同时过多初生态的铜进入镀液中容易引起镀液分解，镀液不稳定。

图3是镀前印有碳浆的图形，图4是经过电引发化学镀后线路的情况。

图3 丝印有碳浆线路图形

图4 电引发化学镀将碳浆图形金属化后情形

3.2 镀层/油墨层/基材间附着力影响因素的探讨

导电线路在基材上附着力是PCB基本的性能指标之一。电引发法制作PCB的导电线路附着力包括油墨层与PET之间的附着力和铜层与油墨层之间的附着力。其中油墨层与PET之间的附着力可以通过选择合适的油墨和溶剂，使油墨中的成膜物如树脂能够与PET基材形成化学键或氢键；或PET基材进行表面处理，提高基材表面粗糙度，达到增强油墨和基材结合力的目的。虽然铜层与油墨层明显没有形成化学键，也没有对油墨进行表面处理，但可得到铜层与油墨之间的结合力满足3M胶布测试，采用金相显微镜探讨其原因。

图5 碳浆线路800倍的金相显微镜图

图6 碳浆线路电引发镀铜后的800倍的金相显微镜图

图7 碳浆线路电引发镀上铜后的切片800倍金相显微镜图

由图5可以看到，碳浆导电线路表面凹凸不平；图6中看到电引发化学镀镀上的铜主要位于凹处，图7表明镀上的铜较平整分布在炭浆线路上。由此推断，镀上的铜与碳浆形成“锚固效应”，同时镀上铜后，整个线路的平整度得到提高，这些是铜镀层与油墨层附着力强的原因。

3.3 电引发化学镀铜的时间

电引发化学镀铜后，其化学镀的时间对线路的电阻、铜厚、铜层都有一定的影响。实验中采用操作电压为3.5 V，电引发化学镀的时间为90 s，化学镀的时间分别为10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min，化学镀的温度为35 ℃。采用测厚仪测定铜厚、采用万用表测定电阻。实验结果见表3：

表3 化学镀时间对铜厚、电阻及、铜层外观影响

由表3可以看出，随化学镀时间的廷长，铜厚不断增大，但增厚速度不断减少；电阻不断下降，铜层外观仍保持均匀，无起皮现象。但要在短时间要得到合格较厚的镀层和较小电阻，还需寻找合适的化学镀厚铜药水。

4 结论和展望

电引发化学镀制作PCB线路，通过丝印导电油墨线路，在合适的操作电压3～5V条件下，可得导电性良好、附着力强的均匀镀层。为加法制作印刷电路板添加一种新的方法。

该方法就试验结果应用于制作塑料基材FRID标签的天线，应该有较好的价格优势；随着镀厚铜化学品等的不断开发和应用，用电引发制作PCB线路，在节能环保，降低制作成本等有较好的应用前景。

[1]周敏.最新印制电路设计制作工艺与故障诊断, 排除技术实用手册.吉林:音象出版社, 2006:1-2.

[2]林金堵.喷墨打印技术在PCB中的应用前景[J].印制电路信息, 2008,04:8-13.

[3]胡光辉, 罗观和, 陈世荣等.发明专利: 一种电引发化学镀的加成法制造印刷电路板的方法.申请号: 201010270391.0