对诸如用于挠性电路和高可靠性多层印制线路板的聚酰亚胺等材料进行金属化，对工艺工程师来说是一个巨大的挑战。传统的化学镀铜工艺通常需要使用危险化学品进行预处理，或者工艺窗口非常狭窄，难以在不起泡的情况下实现均匀的覆盖。归根结底，这一切都是为了增强化学镀铜薄膜与这些光滑表面的附着力。

铜镀层内部的应力是影响镀覆金属与基板阿附着力的重要因素。在聚酰亚胺挠性材料上进行电镀的工艺非常类似于在塑料上镀覆（plating on plastics，POP）。化学镀铜已被成功应用于对难镀基材和材料（如聚酰亚胺、POP和模塑互连器件）的金属化。然而，随着技术朝着更高频率和更快数据传输速率方向发展，这些经过精心设计的工程材料，使得电镀工艺更加复杂。

图1：用碱性高锰酸盐去钻污后的孔壁（环氧树脂刚性PCB，材料玻璃化转变温度（Tg） 高达170℃）（来源：IPC-9121）

光滑表面上金属化的挑战

在基材上金属化薄膜时，需要重点关注的问题就是镀层应力。氢气是化学镀铜沉积工艺的副产物，可能会被吸附于薄沉积层中，并对内应力产生负面影响。氢气问题被认为是导致铜镀层起泡的主要原因。在光滑表面（如聚酰亚胺基挠性电路材料）上，通常会面临的挑战是确保化学镀铜与基板的良好附着力。对于缺乏足够微观粗糙度的基材，薄膜镀层的附着力会大打折扣。为了缓解这个问题，解决方案之一是尽可能地降低铜镀层的内应力。

现在，减少氢气对铜镀层影响的补救措施是降低化学镀铜电解质的表面张力。通过使用特定的润湿剂降低表面张力，氢气气泡不太可能留在镀覆表面。除了氢气问题，人们还担心化学镀铜沉积应力问题。过度的沉积应力会导致镀铜层起泡或从基板上脱落。这本质上是一种应力释放的表现。

众所周知，用于挠性电路制造的聚酰亚胺材料，即使在等离子去钻污处理后，其表面纹理相当光滑。与大多数环氧树脂体系不同，用于挠性电路的聚酰亚胺不像碱性高锰酸钾化学去钻污工艺那样，通常会形成微粗化的表面纹理。正是有了这些“锚固点”（图1），环氧树脂体系才能为化学镀铜薄膜提供足够的表面积以实现良好附着。

影响铜与挠性聚酰亚胺附着的另一个限制因素是聚酰亚胺薄膜的低表面能。表面能低的表面倾向于排斥化学相互作用，使工艺化学物质更难实现良好的附着力。此外，根据设计，挠性电路在使用寿命期间会挠曲和弯曲，镀铜层对基板保持极佳的附着力对电路的寿命功能至关重要。当然，聚酰亚胺材料的等离子处理改善了聚酰亚胺的低表面能。然而，这种处理往往不足以通过缓解内应力来确保长期附着力。

图2：等离子去钻污后的聚酰亚胺挠性电路（光滑形貌）（来源：IPC-9121《工艺作用手册）

应力的影响

化学镀铜镀层中的应力可以是压应力，也可以是拉应力。我们可以将铜镀层想象成一个弹簧：如果它处于被拉伸的状态，那么它承受的就是拉应力；如果它处于被压缩的状态，那么它承受的就是压应力。对于缺乏锚定位点的光滑表面（例如无胶聚酰亚胺柔性材料），承受压应力的铜镀层会发生翘起或起泡，并从基材上脱落。

螺旋收缩仪（图3）利用一条缠绕成线圈或螺旋的金属条。该装置连接到镀槽上，然后金属仅沉积在线圈的一侧。根据内应力的类型和程度，线圈将膨胀或收缩。如果铜镀层受到压应力，线圈将收紧；如果受到拉应力，线圈就会膨胀。收缩仪配备了量规，用于定量测量应力是压缩还是拉伸。

图3：用于测量镀层沉积内应力的螺旋收缩仪

很明显，对于在其整个生命周期内可能经历多次弯曲的电路来说，镀层在基板上的良好附着力是必要的。铜沉积最好具有低应力或无应力。重要的是要切记，薄膜对于基板的附着力是复杂的机理。内部沉积应力只是其中一个因素。影响附着力的其他因素包括：

• 两个表面之间的离子键合

• 吸附：附着力基于原子间及分子间相互作用，如范德华（Van Der Waals）相互作用，还可能有路易斯酸相互作用（Lewis Acid interactions）

• 机械锚定

机械锚定取决于粗化表面的控制。在挠性聚酰亚胺的情况下，无法实现粗化的形貌。

对于挠性聚酰亚胺而言， 对于柔性聚酰亚胺材料而言，要获得最佳的化学镀铜层附着力，主要取决于两个关键因素：一是镀层自身的内部应力，二是钯催化剂在经过等离子去钻污处理后的表面上的吸附情况。因此，当您排查附着力相关问题时，请务必将这两个因素牢记在心。

对于挠性电路和难以金属化的基板材料，可以考虑使用直接金属化工艺。

Michael Carano拥有40多年的电子行业经验，拥有丰富的制造、高性能化学品、金属、半导体、医疗器械和先进封装方面的专业知识。

【本文转自公众号电子首席情报官ECIO，转载仅供学习交流。】