Martes, 04 de mayo 2010 | Lee David M., Folkerts John T. , Frank L. Collins , Ann E. Dietrich y Keeney Allen, Johns Hopkins Laboratorio de Física Aplicada
Resumen
Típica electro - deposición de convencionales metales produce depósitos que son productos policristalinos en la naturaleza, compuesta por granos de cristal muchas separadas por límites de grano. Adición de refinadores de grano a una solución de enchapado y el empleo de técnicas de pulso- galjanoplastia puede reducir el tamaño de grano y producir un depósito nanocristalina . El tamaño medio de grano del depósito de cobre nanocristalina es de unos 100 nanómetros. Esto es unas 80 veces más pequeño que el depósito normal de tamaño de grano promedio de 2 micras.
depósitos nanocristalinos de cobre tienen la porosidad insignificante y excelentes propiedades físicas , mecánicas y eléctricas . La dureza, tracción y resistencia al desgaste de los depósitos es mucho mayor. De corrosión bajo tensión es prácticamente eliminados, mientras que la difusividad y solubilidad de hidrógeno se incrementan . Este trabajo compara la electroquímica , propiedades mecánicas y físicas de los depósitos de cobre convencionales nanocristalinos, con depósitos de cobre policristalino en las tarjetas de circuito impreso ( PWB) . tableros de prueba se evaluaron a los cambios bruscos de temperatura y pruebas de estrés térmico . de espesor de cobre y la uniformidad son evaluados tanto por microlijado y técnicas de fluorescencia de rayos X de medición.
Introducción
La electrodeposición de metales nanocristalinos ha suscitado un gran interés debido a su mejor electroquímica , propiedades mecánicas y físicas . Se ha demostrado que los depósitos nanocristalinos producida por deposición electro pulsada ( PED ) tienen una mayor dureza , menor fricción coeficiente de resistencia eléctrica y baja en relación a los depósitos policristalino producido por la corriente directa ( DC ) deposición [1 ] .
La deposición de los depósitos nanoestructura PED es posible mediante la optimización de la longitud del pulso (tiempo de encendido) , el tiempo entre dos pulsos ( tiempo libre ), la altura máxima ( pulso) y la densidad de corriente promedio [ 2]. Pulso electro - deposición permite la electrólisis con una alta densidad de corriente durante un corto periodo de tiempo [ 3].
La adición de aditivos orgánicos , tales como formadores de complejos e inhibidores, también son necesarias para alcanzar los granos más pequeños . Estos aditivos ayuda en la inhibición del crecimiento de los cristalitos que resulta en una fina estructura de grano fino.
Este trabajo compara las propiedades mecánicas y físicas de los DEP depósitos de cobre nanocristalinos, con depósitos de cobre convencionales DC policristalino sobre placa de circuito impreso plateado por los agujeros.
Fondo
Como avanzada placa de circuito impreso de cableado ( PLP ) los diseños se hacen más complejos , el espesor de la junta se ha incrementado debido al mayor número de capas. El plateado a través del orificio (PTH ) diámetros se han convertido en mucho más pequeña para dar cabida a la mayor densidad de diseños avanzados . El aumento de los resultados bordo de espesor en la PTHs cada vez menos confiables debido a un coeficiente de expansión térmica falta de coincidencia entre el material dieléctrico de PCB y el cañón de cobre chapado en bicicleta durante el estrés térmico.
Placas de circuitos impresos con PTHs están sujetos a cambios bruscos de temperatura y pruebas de estrés térmico para determinar la capacidad de la PTHs para soportar variaciones de temperatura.
El objetivo de este estudio es determinar si los depósitos de cobre nanocristalino son superiores a los depósitos de cobre policristalino mediante el empleo de ciclo térmico y pruebas de resistencia eléctrica .
Alta relación de aspecto a través del orificio galjanoplastia pruebas se realizaron también para comparar el poder tirar de cada proceso de recubrimiento .
Experimental Detalle
Nanocristalinos y los depósitos de cobre policristalino fueron producidos por PED y los procesos de deposición de CC en un electrolito de sulfato de cobre con ácido cítrico como un aditivo. Tres composiciones de baño se utilizaron diferentes (Tabla 1). Baño A es un baño de revestimiento de cobre estándar consistente en sulfato de cobre , ácido sulfúrico y un abrillantador comercial. Baño B se compone de sulfato de cobre , ácido sulfúrico y ácido cítrico. Baño C se compone de sulfato de cobre , sulfato de amonio y ácido cítrico. El propósito de un baño era producir los depósitos policristalino típico de la industria de cobre utilizando la rectificación de CC con una densidad de corriente de 0.138A/in ² . Baños B y C fueron utilizados para producir el nanocristalina depósitos de cobre utilizando PED rectificación con una densidad de corriente de 0.165A/in ² con una corriente máxima de 10A.
Tabla 1: Baño composiciones .
Este estudio utilizó cupones prueba diseñada específicamente para la relación de aspecto placas de ensayo y prueba de ciclos térmicos . Los cupones de prueba fueron 62 y 93 mil juntas poliimida de espesor. El espesor de cobre chapado en los agujeros a través de 1.25-1.5 fue mils . 12 "x 18 "paneles perforados y se cobre electrolítico se depositó . Los paneles fueron derrotados luego de 2 "x 4 cupones de prueba " . Los cupones de prueba fueron panel plateado con dibujos a continuación, con la película fotosensible y grabado en seco .
Todos los experimentos se llevan a cabo utilizando un tanque de cinco galones de chapado. La agitación fue suministrado por una bomba de filtración de recirculación con un rociador de tanque central . alta conductividad sin oxígeno ánodos de cobre y bolsas fueron utilizados fueron ánodo . Un modelo de Kraft Dynatronix DP20 - 5-10 se utilizó la fuente de alimentación .
El análisis de los depósitos incluidos micrografías SEM, ensayos de dureza , pruebas de resistencia eléctrica , las pruebas de choque térmico y las pruebas de estrés térmico .
Análisis fuerte
Microscopía Electrónica de Barrido (SEM ) se utilizó para determinar la morfología del depósito. Los depósitos del baño de una típica estructura de grano han policristalino con un tamaño de grano promedio de 2 micras (Figuras 1 y 2).
Figura 1: A. Baño
Figura 2: A. Baño
Los depósitos del baño B tienen una estructura de grano nanocristalino con un tamaño de grano promedio de alrededor de 150 nm (Figuras 3 y 4).
Figura 3: Baño B.
Figura 4: Baño B.
Los depósitos de C baño tienen una estructura de granos nanocristalinos, con un tamaño de grano promedio de unos 50 nm ( figuras 5 y 6).
Figura 5: C. Baño
Figura 6: C. Baño
La dureza de prueba
Hardness pruebas se realizaron con un probador de microdureza Clark MHT -1 utilizando un indentador de diamante Vickers pirámide con una fuerza aplicada de 50 g durante 10 segundos. Una fuerza de baja fue seleccionada para aislar a la medición de la capa de recubrimiento solamente. Las mediciones de dureza en la Tabla 2 muestran como el tamaño de grano se reduce el depósito se vuelve más difícil .
Cuadro 2: Ensayo de dureza .
Prueba de choque térmico
pruebas de choque térmico según MIL -PRF- 55110G e IPC -TM - 650 se realizaron en los cupones de prueba de cada baño . La junta ciclo de ensayo térmico se compone de 140 PTHs conectados a través de un patrón en cadena (Figura 7). El tamaño del agujero es de 28 milésimas de pulgada con una almohadilla de 55 mil en una placa 62 millones poliimida de espesor. La temperatura de transición vítrea de poliimida es de 260 ° C.
Figura 7: Ensayo de choque térmico de cupón .
Los especímenes de prueba fueron sometidos a 90 ciclos de temperatura que figuran en el cuadro 3 . Los requisitos del IPC -TM -650 del estado de un límite de alta temperatura de 170 ° C durante material dieléctrico poliimida . Para esta prueba la alta temperatura se elevó a 177 ° C (el límite de temperatura de la cámara de prueba ) para aumentar la tensión en la expansión térmica la PTHs .
Cuadro 3: Ciclo térmico de temperatura choque.
Interconexión de las mediciones de resistencia se tomaron cada minuto durante la prueba de choque térmico . Los resultados de las pruebas que figuran en la Tabla 4 indican que el ciclismo después de térmica , cupones de prueba de cada baño superado la prueba de continuidad y que no había indicios de un circuito abierto. Prueba de cupones de Bath A y B de baño había un cambio resistencias total de más de 10% entre el primero ciclo de temperatura alta y el último ciclo de alta temperatura. Los requisitos del IPC -TM -650 establece que el cambio resistencias total no deberá ser superior al 10% . El cupón de prueba de Baño C tuvo una gran resistencia inicial más baja después de los baños y otros se mantuvieron relativamente estables durante toda la prueba .
Cuadro 4: Las medidas de resistencia (ohmios ) .
Después de las pruebas de choque térmico, cada cupón se microsectioned y una inspección visual . No debe haber fisuras en placas, ampollas o delaminación se observó en el PTHs (Figuras 8-10).
Figura 8: A. Baño
Figura 9: Baño B.
Figura 10: C. Baño
Prueba de Estrés Térmico
Las probetas de ensayo de cada baño se sometieron a pruebas de estrés térmico que consiste en un horno de cocer al horno a cabo a 121 ° C durante un mínimo de seis horas y un baño de soldadura a 260 ° C durante 10 segundos , 20 segundos y 30 segundos. Los resultados figuran en el cuadro 5 se presenta un baño fallado en 30 segundos , Bañera B falló en 20 segundos y C Baño pasado las tres caídas de soldadura. Todas las fallas fueron delaminación del cobre plateado del dieléctrico en el agujero por el (Figuras 11-13).
Cuadro 5: prueba de esfuerzo térmico .
Figura 11: un baño, 30 segundos.
Figura 12: Baño B, 20 segundos.
Figura 13: Baño C, 30 segundos.
Alta relación de aspecto Agujero pasante Revestimiento de prueba
La relación de aspecto de alta cupón galjanoplastia prueba consiste en una placa 93 mil de espesor con un tamaño de poliimida siete agujeros de 8, 10 , 15, 20, 28 , 40 y 50 milésimas de pulgada , lo que representa relaciones de aspecto de 1,25:1 hasta 11.37:1 (Figura 14 ) .
Figura 14: Prueba de cupón .
cupones de prueba se sembraron en cada baño microsectioned continuación para obtener la superficie a la ratio agujero de espesor ( SHTR ) . El SHTR se determina dividiendo el espesor de recubrimiento en la superficie del agujero por el espesor de la siembra en el centro del agujero. El espesor de cobre chapado en los agujeros a través de 1.25-1.5 fue mils . Los resultados, que figuran en el cuadro 6, muestra Baño B tuvo el menor SHTR . Baños A y B de forma fiable plateado tamaño de los agujeros hasta 8 mils (Figuras 15-16). Baño C registró los mayores SHTR y no tienen el poder de lanzar para depositar el 1,25 milésimas de pulgada de cobre sin cerrar el 8 y 10 agujeros mil ( Figuras 17-18).
Tabla 6: Superficie- agujero relación de espesor .
Figura 15: Un Baño , orificio de 8 mil .
Figura 16: Baño B , el agujero de 8 mil .
Figura 17: Baño C , orificio de 8 mil .
Figura 18: Baño C , orificio de 10- mil.
Conclusión
Se demostró que los depósitos nanocristalinos producidos a partir de PED con tamaños de grano más pequeño que 100 nm tienen una baja resistencia eléctrica y una mayor dureza a continuación, los depósitos de cobre policristalino producido por DC placas . Los depósitos nanocristalinos pasado la temperatura elevada de la prueba de choque térmico y el aumento de vivir momento de la prueba de estrés térmico.
Un proceso de recubrimiento nanocristalino con un aditivo abrillantador exhibió un poder de penetración superior al recubrimiento de alta relación de aspecto de los agujeros .
Se puede concluir que los procesos de recubrimiento nanocristalino puede ser empleado en la fabricación de las placas de circuito impreso y demostrar estos procesos superiores propiedades mecánicas y físicas a continuación, los procesos convencionales de siembra policristalino .
Agradecimientos
Los autores desean dar las gracias a Richard J Saunders para microsectioning y análisis de muestras de análisis y Deacon Ryan por microscopía electrónica de barrido .
Referencias:
1. Song Li DY Tao1 y tribológico , " Propiedades mecánicas y electroquímicas de los depósitos de cobre nanocristalino producida por impulsos electro- deposición " (2006) Nanotecnología 17 (2006 ) . 65-78. Instituto de Física de la publicación .
2. H. Natter y Hempelmann R. . Nanocristalinos de cobre por electrodeposición de pulsación: Los efectos de los aditivos orgánicos , la temperatura del baño , y Phys. pH. Chem . " 1996 , 100 ( 50) , pp. 19.525-19.532 , DOI : 10.1021/jp9617837 Fecha de publicación ( web) : 12 de diciembre de 1996, Copyright © 1996 , American Chemical Society.
3. Mohsen Saremi , Maryam Abouie , R. Vaghar ", electroquímica y propiedades físicas de los depósitos de cobre nanocristalinos Producido por Electrodeposición Pulse ", (2008), Revista Internacional de la Física Moderna, B vol. 22 , Nos. 18 y 19 de 3005 a 3,012 .
http://www.pcb007.com/pages/zone.cgi?artcatid=&a=58490&artid=58490&pg=9
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