基于导电石墨的直接金属化系统在全球范围内越来越受到欢迎。采用这一工艺所带来的环境效益和生产力提升是显著的。直接金属化减少了与化学品暴露相关的合规成本、废物处理成本和法律问题。为了满足这些需求，行业已开发出基于石墨的直接电镀系统。

为什么使用基于石墨的直接金属化工艺？

碳黑和基于石墨的化学工艺都被认为是碳基工艺，但这两种工艺之间存在显著差异。

石墨工艺基于合成结晶石墨的非常细腻且稳定的水性分散液。由于其晶体结构，石墨颗粒的导电性远高于碳黑。

基于石墨的系统在将石墨沉积到非导电材料上时具有很高的灵活性，这一点尤其重要，因为材料供应商不断推动技术极限，以生产出更高性能的树脂和层压复合材料。

随着材料性能的逐步提升，例如热膨胀系数（CTE）、分解温度（Td）、信号完整性和玻璃化转化温度（Tg），这些基材的加工变得越来越困难。

这些高性能材料具有较高的交联度，且对如碱性高锰酸盐去钻污等工艺具有更强的耐化学性。

与此相比，传统的化学镀铜工艺需要对树脂表面进行微粗化处理，以实现铜与树脂之间的足够附着力。

另一方面，基于碳的系统类似于涂层技术。不会存在表面形貌与树脂材料的附着问题。对于化学铜镀，需要使用贵金属催化剂（通常是钯）来氧化甲醛（化学镀铜配方中最常用的还原剂）。化学镀铜包括两个半电池反应，需要多个工艺步骤才能提供无空洞的铜沉积。

此外，在化学镀铜工艺中，会生成氢气。氢气的生成会产生气泡，这些气泡可能会卡在小直径的贯穿孔和盲孔中。如果不能有效地从通孔中排出气泡，就会导致镀层出现空洞。

以下是化学镀铜反应的整体描述：

整体反应：

Cu(EDTA)²⁻ + 2HCHO + 4OH⁻ → Cu + H₂ + H₂O + 2CHOO⁻ + EDTA⁴⁺

直接金属化的环境优势

通常，通过传统的化学镀铜工艺对PCB进行金属化的制造周期为45~55分钟。除了资本支出要求之外，直接金属化提供了更快的产出，从而减少了能源成本和温室气体排放。在目前行业持续关注可持续性的背景下，这一点尤为重要。

水资源正变得越来越稀缺。平均而言，传统的化学镀铜工艺生产线每分钟使用26~30加仑水，而基于石墨的工艺每分钟仅使用4~6加仑水。转换到石墨工艺可以降低80%的水耗。

此外，石墨工艺不含传统化学镀铜工艺中使用的螯合铜，因此大大简化了废物处理问题。最后，石墨工艺不含甲醛、氰化物及其他有毒物质，满足了对更安全、无致癌物化学品的需求。

基于石墨的直接金属化工艺

非常适合HDI和挠性电路

随着行业对HDI和UHDI越来越重视，易用性和速度变得越来越重要。先进封装推动IC载板、中介板和产品板向更高密度发展。

这类要求使这些板和载板变得更加复杂，具有越来越精细的线宽和线距、多次顺序层压以及更小直径的盲孔。

Technic公司的基于石墨系统非常适合这些任务。复杂度的程度如图1所示。

图1：叠孔

此外，行业还采用了每层互连（Every Layer Interconnect，ELIC）工艺（见图2）。

图2：每层互连（Every Layer Interconnect，ELIC）工艺

通过适当的材料选择，图1和图2所示的结构能够提高长期可靠性，并能够承受所需的多次层压。

重点是要选择具有低热膨胀系数（CTE）和较高分解温度的材料。与传统的化学镀铜工艺相比，石墨直接金属化工艺可通过主要金属化工艺实现更快的生产效率。

石墨直接电镀系统背后的科学原理

该工艺的关键要素是开发了特有的高结晶度石墨颗粒分散液，可分散在微弱碱性介质中。石墨颗粒的具体粒径被特别配制在非常窄的分布范围内，直径为0.4~0.6微米。

专有的分散剂和有机粘合剂增强了石墨胶体的稳定性。这样可以改善石墨在各种材料上的附着力和覆盖力，包括PPO、PPE、液晶聚合物（LCP）、挠性电路、聚酰亚胺（PI）、PTFE、陶瓷填充材料、塞孔浆料等。在讨论胶体石墨工艺的一致性时，胶体的稳定性是主要考虑因素。

我们将稳定性定义为：

保持颗粒大小均匀，不会发生聚集

颗粒在溶液中保持悬浮，不会沉降

每种稳定性的定义都涉及不同的因素，我将分别进行讨论。专有技术可使石墨颗粒的粒度保持一致，增强了分散液的稳定性，并提高了涂层的优异导电性。

均匀的颗粒尺寸

胶体石墨是一种疏水性胶体，这意味着它不会被水强烈吸引。疏水性胶体颗粒通过空间位阻或静电力相互排斥。

空间位阻排斥是通过形成物理屏障来防止颗粒聚集。静电排斥则通过电荷作用，防止颗粒相互接触并聚集。

虽然这两种方法都涉及保持胶体石墨颗粒不发生聚集，但由于污染物对静电电荷的影响，静电排斥尤为重要。

如前所述，石墨颗粒带有净负电荷。通过添加专有的粘合剂，这种负电荷进一步增强，因为该粘合剂在工作pH值下由于羧酸根（R-COO⁻）的存在也带有负电荷。

围绕着这些颗粒的是一簇带有净正电荷的反离子。这种电荷的不均匀分布在界面上形成了电位差，从而形成了电双层。电双层的示意图如图3所示。

图3：围绕石墨颗粒的电双层

较厚的电双层会使颗粒在更大的距离上相互排斥。该厚度与每种离子污染物的浓度和价态成反比。

因此，离子浓度应尽可能减少，特别是当离子是二价或三价时。

Zeta电位是衡量胶体颗粒有效电荷的实用指标。Zeta电位越负，胶体石墨分散液就越稳定。

Zeta电位还可以用来评估污染物对胶体稳定性的影响。我们的粘合剂配方有助于尽量减少污染物的影响，这些污染物可能会对石墨分散液的稳定性产生负面影响，并进一步削弱涂层在孔壁上的导电性。

清洁剂/调理剂的重要性

清洁剂/调理剂工艺步骤位于石墨步骤之前，目的是确保带负电荷的石墨颗粒能够在各种材料上，包括玻璃纤维，找到合适的位置。

其背后的科学原理是将清洁剂/调理剂的正电荷与石墨的负电荷相匹配。这使得石墨能够“絮凝”到通孔上，在玻璃和树脂上形成一层薄的导电石墨层。

实际上，这是一种聚合反应，在电路板或载板的非导电区域形成薄而导电的膜。

总之，与传统的化学镀铜工艺相比，基于石墨的直接金属化工艺提供了多项技术优势，消除了潜在问题：

▪ 提高了对关键应用至关重要的可靠性

▪ 简化了工艺步骤，整体降低了成本

▪ 提供了环境效益，免于使用甲醛等有毒物质

▪ 减少了水和能源的使用，大大缩短了处理时间

作者

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。】