ב-תהליך ייצור PCB, טכנולוגיית חורי נחושת היא חוליה מרכזית בהשגת חיבורים חשמליים בין שכבות שונות של המעגל. להלן נעמיק בידע הרלוונטי של חורים מצופים נחושת במעגלים, לרבות הגדרתם ותפקודם, התהליך וכן בעיות ופתרונות נפוצים.
הגדרה ותפקוד של חורי שקיעת נחושת
חורים בציפוי נחושת, הידוע גם בשם חורים מתכתיים, מתייחסים לחורים במעגלים מודפסים רב-שכבתיים שבהם שכבה דקה של נחושת מונחת על דפנות החורים בין השכבה העליונה והתחתונה בתהליך ספציפי, ובכך מחברת שכבות שונות של המעגל המודפס זו לזו. מטרתו ליצור חיבורים חשמליים אמינים בין שכבות מוליכות שונות של המעגל, תוך הבטחת שידור מדויק ומהיר של אותות אלקטרוניים בין רכיבים שונים. במכשירים אלקטרוניים מורכבים, מספר רב של רכיבים אלקטרוניים צריכים להיות מחוברים ולעבוד יחד באמצעות מעגלים. הנוכחות של חורים מצופים נחושת מאפשרת חיווט-בצפיפות גבוהה במעגלים, ומשפרת מאוד את האינטגרציה והביצועים של מכשירים אלקטרוניים.
תהליך שקיעת חור נחושת
תהליך הייצור של חורים בציפוי נחושת מורכב יחסית, הכולל מספר שלבים, שלכל אחד מהם יש השפעה משמעותית על האיכות הסופית של ציפוי הנחושת. להלן התהליך הכללי של שקיעת חור נחושת:
הסרת שומנים אלקלית: זהו השלב הראשון בתהליך שקיעת חור הנחושת, המסיר כתמי שמן, טביעות אצבעות, תחמוצות ואבק בתוך החורים שעל פני הצלחת. במקביל, הקוטביות של מצע דופן הנקבוביות מותאמת כדי לשנות את דופן הנקבוביות ממטען שלילי למטען חיובי, מה שמקל על ספיחת פלדיום קולואידי בתהליכים הבאים. בדרך כלל, נעשה שימוש במערכת להסרת שמן אלקליין, עם טמפרטורת הפעלה בדרך כלל בטווח של 60-80 מעלות. ריכוז תמיסת המיכל נשמר על 4-6%, וזמן הסרת השמן נשלט בסביבות 6 דקות. האפקטיביות של הסרת שמן משפיעה ישירות על אפקט התאורה האחורית של שקיעת נחושת. אם הסרת השמן אינה יסודית, היא עלולה להוביל להידבקות לקויה בין שכבת שקיעת הנחושת למצע, וכתוצאה מכך לקילוף והקצפה.
תחריט מיקרו עיקרי (חיספוס): מטרת תחריט המיקרו היא להסיר תחמוצות מפני השטח של הלוח ולחספס אותו כדי להבטיח הידבקות טובה בין שכבת שקיעת הנחושת שלאחר מכן לבין הנחושת הבסיסית של המצע. למשטח הנחושת החדש שנוצר פעילות חזקה והוא יכול לספוג טוב יותר פלדיום קולואידי. חומרי החיספוס הנפוצים בשוק כוללים כיום את מערכת מי חמצן חומצה גופרתית ומערכת פרסולפט. למערכת מי חמצן חומצה גופרתית מסיסות נחושת גבוהה (עד 50 גרם/ליטר), יכולת שטיפה טובה במים, טיפול קל בשפכים, עלות נמוכה וניתנות למיחזור. עם זאת, יש לו חסרונות כמו חיספוס משטח לא אחיד, יציבות טנק ירודה, פירוק קל של מי חמצן וזיהום אוויר כבד. למערכת הפרסולפט (כולל נתרן פרסולפט ואמוניום פרסולפט) יציבות טובה בתמיסת המיכל, התגבשות אחידה של פני הצלחת, אך כמות קטנה של נחושת מומסת (25g/l), התגבשות קלה ומשקעים של נחושת גופרתית, יכולת שטיפה מעט נמוכה במים ועלות גבוהה. בנוסף, קיים חומר תחריט המיקרו החדש של דופונט אשלגן מונופרסולפט, בעל יציבות טנק טובה, חיספוס אחיד של פני השטח, קצב חיספוס יציב ואינו מושפע מתכולת נחושת. זה קל לתפעול ומתאים לקווים דקים, מרווחים קטנים, לוחות-תדירות גבוהה וכו'. זמן הצריבה המיקרו נשלט בדרך כלל בסביבות 1-2 דקות. אם הזמן קצר מדי, אפקט החיספוס עלול להיות גרוע, מה שעלול להוביל להידבקות לא מספקת של שכבת הנחושת לאחר ציפוי נחושת. גסות יתר עלולה לשחית את מצע הנחושת בפתח החור, וכתוצאה מכך מצע חשוף בפתח החור ולגרום לגרוטאות.
השרייה/הפעלה מוקדמת: המטרה העיקרית של השרייה מוקדמת היא להגן על מיכל הפלדיום מפני זיהום על ידי תמיסת מיכל הקדם-להאריך את חיי השירות של מיכל הפלדיום. המרכיבים העיקריים של תמיסת טרום הטבילה, למעט פלדיום כלוריד, תואמים לאלה של מיכל הפלדיום. זה יכול להרטיב ביעילות את דופן הנקבוביות, מה שמקל על פתרון ההפעלה שלאחר מכן להיכנס לנקבובית בזמן להפעלה. המשקל הסגולי של תמיסת ההשריה המוקדמת נשמר בדרך כלל בסביבות 18 מעלות פרנהייט. מטרת ההפעלה היא לאפשר לדפנות הנקבוביות הטעונות בחיוב לאחר התאמת קוטביות הסרת שמן אלקליין לספוח ביעילות מספיק חלקיקי פלדיום קולואידים בעלי מטען שלילי, ולהבטיח את האחידות, המשכיות והצפיפות של שקיעת נחושת לאחר מכן. הפלדיום כלוריד בתמיסת ההפעלה קיים בצורה קולואידלית. על מנת למנוע הג'לטינה של הפלדיום הקולואידי, יש להקפיד על כמות מספקת של יוני סטאנו ויוני כלוריד, לשמור על משקל סגולי מספיק (בדרך כלל מעל 18 מעלות באום), ובעלת חומציות מספקת (כמות מתאימה של חומצה הידרוכלורית) כדי למנוע משקעים של סטאנו. הטמפרטורה לא צריכה להיות גבוהה מדי, בדרך כלל בטמפרטורת החדר או מתחת ל-35 מעלות. זמן ההפעלה הוא בדרך כלל בסביבות 7 דקות, ועוצמת ההפעלה נשלטת בסביבות 30%.
דה ג'לטיניזציה: תפקידו של דה ג'לטיניזציה הוא להסיר ביעילות את יוני הפח המקיפים את חלקיקי הפלדיום הקולואידים, לחשוף את גרעיני הפלדיום בחלקיקים הקולואידים, ובכך לאפשר קטליזה ישירה ויעילה של תגובת שקיעת הנחושת הכימית. בשל היותו של בדיל יסוד אמפוטרי, המלחים שלו מסיסים בחומצות ובבסיסים, מה שהופך את החומצות והבסיסים ליעילים כחומרי ג'ל. עם זאת, אלקלי רגיש יותר לאיכות המים ויכול לייצר בקלות משקעים או מוצקים מרחפים, שעלולים בקלות לגרום לשבירת חורי נחושת; חומצה הידרוכלורית וחומצה גופרתית הן חומצות חזקות, אשר לא רק מזיקות לייצור לוחות רב שכבתיים (כיוון שחומצות חזקות יכולות לתקוף את שכבת התחמוצת השחורה הפנימית), אלא גם נוטות לג'לציה מוגזמת, הגורמת לחלקיקי פלדיום קולואידים להתנתק ממשטח דופן הנקבוביות. חומצה פלואורבורית משמשת בדרך כלל כחומר הפורקן העיקרי. בשל החומציות החלשה שלו, הוא בדרך כלל אינו גורם לניתוק מופרז, וניסויים הראו שכאשר משתמשים בחומצה פלואורבורית כחומר מפורק, חוזק ההדבקה, אפקט התאורה האחורית וצפיפות שכבת הנחושת המושקעת משתפרים באופן משמעותי. ריכוז תמיסת הדבק נשלט בדרך כלל בסביבות 10%, והזמן נשלט בסביבות 5 דקות. יש לשים לב לבקרת טמפרטורה בחורף.
שקיעת נחושת: זהו שלב הליבה של תהליך שקיעת הנחושת, אשר גורם לתגובה קטליטית עצמית של שקיעת נחושת באמצעות הפעלה של גרעיני פלדיום. על ידי ניצול יכולת ההפחתה של פורמלדהיד בתנאים אלקליים להפחתת מלחי נחושת מסיסים מורכבים, נחושת כימית חדשה שנוצרה ומימן תוצר לוואי של תגובה יכולים לשמש כזרזי תגובה לביצוע מתמשך את תגובת שקיעת הנחושת, ובכך להפקיד שכבה של נחושת כימית על פני הצלחת או דופן הנקבוביות. תמיסת המיכל צריכה לשמור על ערבול אוויר רגיל כדי לחמצן את יוני הקופרוס ואבקת הנחושת בתמיסת המיכל, ולהפוך אותם לנחושת דו ערכית מסיסה. בתהליך שקיעת הנחושת יש צורך לאזן בין הוספת תמיסה A ותמיסה B. תמיסה A משלימה בעיקר נחושת ופורמלדהיד, בעוד שתמיסה B משלימה בעיקר נתרן הידרוקסיד. כיור הנחושת מתוחזק בדרך כלל על ידי הצפת יתר או הוצאת נוזלים תקופתיים החוצה ומילוי בזמן של נוזל חדש. כמות התוספת היא בדרך כלל כ-1 ליטר נוזל AB לכל 6-10 מ"ר. יחד עם זאת, כיור הנחושת צריך לשמור על ערבול אוויר מתמשך, ומומלץ להתקין מערכת סינון, באמצעות אלמנט מסנן 10um PP, ולהחליף את אלמנט המסנן במועד מדי שבוע. בנוסף, יש צורך לנקות באופן קבוע את משקעי הנחושת במיכל שיקוע הנחושת כדי להבטיח את יציבות תמיסת המיכל.
בעיות ופתרונות נפוצים עבור חורי שקיעת נחושת
במהלך תהליך הייצור של חורים מצופים נחושת, ייתכנו כמה בעיות איכות המשפיעות על הביצועים והאמינות של לוחות מעגלים מודפסים. להלן מספר בעיות ופתרונות נפוצים:
הידבקות לקויה של שכבת שקיעת נחושת: סיבות אפשריות כוללות הסרת שמן לא מלאה, מיקרו קורוזיה לא מספקת או מוגזמת, אפקט הפעלה לקוי, ניתוק לא תקין וכו'. הפתרון הוא לחזק את השליטה בתהליך הסרת השמן כדי להבטיח את ניקיון משטח הצלחת וקיר החור; התאם באופן סביר את זמן התחריט והפרמטרים המיקרו כדי להבטיח את אפקט המחסום; לשלוט בקפדנות על תנאי ההפעלה כדי להבטיח ספיחה מספקת של פלדיום קולואידי; בצע אופטימיזציה של תהליך ניתוק ה-bonding כדי למנוע ניתוק מוגזם או לא מספיק.
חללים או חרירים בקיר החורים: עלולים להיגרם כתוצאה מקצב איטי של שקיעת נחושת, הרכב לא אחיד של תמיסת המיכל, עירור אוויר לא מספיק וסיבות אחרות. ניתן לשפר את קצב שקיעת הנחושת על ידי התאמת הפרמטרים של תהליך שקיעת הנחושת; חיזוק הערבול והסינון של תמיסת הטנק כדי להבטיח הרכב אחיד של תמיסת הטנק; תחזקו ונקה באופן קבוע את ציוד שקיעת הנחושת כדי להבטיח ערבוב אוויר תקין.
מצע חשוף חור: נגרם בדרך כלל על ידי מיקרו קורוזיה מוגזמת. יש לשלוט בקפדנות על זמן התחריט וריכוז האמבט כדי למנוע קורוזיה מוגזמת של מצע הנחושת בפתח.
שכבת שקיעת נחושת גסה: היא עלולה להיגרם מקצב שקיעת נחושת מהיר מדי, זיהומים מוגזמים בתמיסת המיכל וסיבות אחרות. ניתן להפחית כראוי את קצב שקיעת הנחושת, ולחזק את הסינון והטיהור של תמיסת המיכל כדי להסיר זיהומים.