Martes, 22 de junio 2010 | Andrew P. Abbott, Robert C. Harris, Karl S. Ryder y Emma Smith L., Universidad de Leicester , Griffin y Jason O'Connor Cecil , Circuitos PW Ltd.
Resumen
Aquí informamos sobre la optimización de los protocolos de la capa de inmersión de plata en cobre vía asambleas PCB usando una nueva clase de líquidos iónicos . El protocolo final de la comercialización de recubrimientos de plata por inmersión que son brillantes e incluso y dar soldabilidad que es tan bueno como el humor acuoso comerciales vigentes , el ácido nítrico proceso basado , sin electricidad . De importancia crítica para el proceso líquido iónico es que no hay una interfaz de máscara de soldadura grabado se observa . Esta es una ventaja muy importante sobre el proceso acuosa especialmente en lo que los tamaños de las características de componentes de la placa y los diseños se hacen más pequeñas . Los índices de depósito pueden ser manipulados y controlados por la temperatura o la concentración de plata de los tanques de galvanoplastia . Además las cuestiones que hemos abordado en relación con la toxicidad de glicol de etileno y han llevado a cabo ensayos con glicol de propileno como una alternativa. Los resultados sugieren que la PG puede ser un sustituto en la formulación del líquido de la plata de inmersión placas sin pérdida de funcionalidad o aplicación en la EG ya no puede ser utilizado. Un beneficio adicional del proceso de líquido iónico es que no parece ser la luz sensibles, en contraste con el proceso de plata esterlina.
1. Introducción
La inmersión comerciales y el depósito electrolítico de plata ha sido explotado con éxito por muchos años la utilización de la superficie de la reducción autocatalítica de nitrato de plata en ácido nítrico acuoso. capas de plata de inmersión son comúnmente utilizados por los fabricantes de PCB para prevenir la oxidación de las pistas de cobre expuesto durante el almacenamiento . Por lo general hasta seis meses pueden transcurrir entre la fabricación de tableros y el montaje final del producto terminado y así el recubrimiento de plata ha de preservar la superficie de cobre y mantener una buena soldabilidad . Aunque la plata es más susceptible a la oxidación aeróbica que el cobre , tanto el óxido de plata y el metal de plata son solubles soldaduras en el fundido utilizado para fijar los componentes. En consecuencia, la capas de plata de protección suelen ser muy delgados ( menos de 1 mm) con el fin de minimizar el impacto de los cambios en las propiedades mecánicas de la soldadura debido a la aleación , así como a reducir el coste total contribución. Mientras que la corriente de soluciones comerciales electrolítico de plata son ubicuos y éxito aún quedan algunos retos importante proceso . Por ejemplo, el uso de los resultados de grabado ácido nítrico en la competencia de las pistas de cobre es decir, la máscara de soldadura de ataque de la interfaz, que puede resultar en fallas de circuito abierto a menos que el proceso / tiempo de inmersión estricta y eficazmente gestionados . Este problema es especialmente relevante en las características y tamaños de la pista se hacen más pequeñas de tableros de alta densidad de múltiples capas . Otro inconveniente del proceso electrolítico acuosa es la exigencia de un catalizador de Pd coloidal para mantener el depósito de plata para el espesor requerido [1,2 ] .
Como parte de un marco de grandes proyectos de la UE VI integrado ( IONMET ) [3 ] hemos desarrollado un enfoque alternativo. Este nuevo método ha demostrado su eficacia en el logro de depósito de plata sostenida la utilización de una clase relativamente nueva de líquidos iónicos ( IL) , también conocido como disolventes profunda eutéctica (DES ) , a base de mezclas eutécticas de cloruro de colina ( CHCl ) con una especie donante de enlaces de hidrógeno [ 4-6] . Estos líquidos se han utilizado para la deposición electrolítica de galvanización y de una gama de metales , aleaciones y recubrimientos con materiales compuestos como Zn , Cr , Sn , Cu y Ag en la eficiencia de corriente de alta [ 7]. Los líquidos se han aplicado a gran escala (1.000 L) para el pulido electrolítico de aceros inoxidables [ 8, 9 ] y la transformación de metales utilizando líquidos iónicos es objeto de una serie de estudios recientes [ 10, 11 ] y un libro [12 ] .
Recientemente hemos demostrado que la deposición sostenido de recubrimientos metálicos de inmersión de plata se puede obtener de un IL sobre la base de CHCl y etilenglicol (EG ) ( Ethaline ) sin la necesidad de un catalizador de metal precioso o de preparación de superficies complejas. Una variedad de técnicas de análisis se utilizaron para investigar el mecanismo de deposición y la morfología de los yacimientos de plata . Hemos demostrado que la deposición se facilita sostenida y mantenida por la estructura nanoporoso del depósito [13, 14]. Es, sin embargo , es importante señalar que el proceso descrito aquí es un proceso de desplazamiento de inmersión. En consecuencia el cobre es grabada en la plata se deposita ( en una relación molar 1:1). La diferencia fundamental entre este proceso de desplazamiento y la competitividad de grabado con ácido nítrico es que el cobre es sólo desplazadas de las regiones donde la plata es plateado, mientras que el ácido de grabado es indiscriminado y no selectivo . El proceso de líquido iónico no utiliza ácidos fuertes y así para esta combinación de razones fallos de circuito abierto debe evitarse incluso en tablas complejas con características muy pequeñas o las cadenas. Seguimos tanto para investigar las ciencias que la superficie fundamental detrás de esta y otra superficie de acabado del proceso y al mismo tiempo, explorar y ampliar la comercialización de las aplicaciones.
Mientras que en estudios anteriores hemos descrito la mechanistics detallada y la termodinámica del depósito de plata [13, 14], en este manuscrito se discuten algunos datos relativos a las tasas de depósito , y la morfología de la superficie y se muestra el diseño y la implementación de la tecnología a escala de planta piloto el proceso de líquido iónico a un proceso de modelo de fabricación de tableros de tamaño completo.
2. Experimental
El cloruro de colina ( CHCl ) ( Aldrich 99%) de cloruro de plata ( Aldrich 99%) y glicol de etileno (EG ) ( Aldrich 99 + %) se usaron como se ha recibido . La mezcla se formó agitando los dos componentes por ejemplo1ChCl : 2 EG , a 75 ° C hasta un líquido incoloro homogénea se formó . Ethaline y Propaline También se obtuvieron directamente de Scionix Ltd. (www.scionix.co.uk) . Soldabilidad de pruebas y pruebas de envejecimiento acelerado se realizaron en pequeñas fichas de varios niveles de PCB y totalmente fabricado piezas PCB prueba con equipos estándar de la industria . Todas las muestras de prueba de PCB fueron cepilladas antes de sumergirlo en el líquido iónico soluciones , y después del recubrimiento de plata fueron soldadas con un estándar con núcleo de resina 60/40 soldadura utilizando una temperatura de 238 ° C para la soldadura de prueba para soldabilidad en temperaturas de trabajo estándar .
experimentos microbalanza de cristal de cuarzo se llevaron a cabo utilizando electrodos compuesto de finas películas de Au (sin Ti o capa de enlace se utilizó Cr ) se evaporó el 10 cristales de cuarzo MHz ( Internacional del Cristal Manufacturing Company, de Oklahoma City, Oklahoma ), el acabado de la superficie de estos cristales fue bien pulidos o sin pulir . Las áreas piezoeléctricos electrodo activo fue de 0,23 cm ⊃;. espectros de impedancia de cristal se registraron con un analizador de red Hewlett Packard HP8751A , conectado a una transmisión HP87512A / unidad de reflexión a través de cable de 50 W coaxial de tal manera que el centro del espectro estaba cerca del centro de resonancia, fo, (10 MHz) con una anchura de barrido típicas de 20-200 Hz, dependiendo de la interfaz.
imágenes de AFM se adquirieron mediante un Digital Instruments ( DI ) Nanoscope IV , Dimension 3100 utilizando instrumentos de resonancia (pulsar) o póngase en contacto de modo ( versión de software 6.12).
3. Iónica depósito de plata líquida
3.1 Optimización de procesos
Estudios previos han mostrado que la morfología depósito de plata obtenida vía deposición de inmersión en líquidos iónicos en el cobre es relativamente insensible a los aditivos en la solución. Sin embargo , la velocidad de depósito es bastante sensible a la temperatura y la concentración de sal de plata y puede ser efectivamente controlada por el tiempo de inmersión . Por ejemplo, la tasa de deposición se puede aumentar desde 45 hasta 110 nm min-1 mediante el aumento de la temperatura de 20 ° C a 45 ° C. Los estudios preliminares mostraron que la deposición de plata sobre una superficie relativamente lisa , pulida superficie de cobre como resultado un aumento de la rugosidad de la superficie . Esto es importante porque afecta a la rugosidad superficial terminar tanto la estética de la plata , así como la función en términos de susceptibilidad a la oxidación aeróbica y soldabilidad posteriores. Una serie de pruebas sobre cobre pulido substratos mostraron que el aumento del tiempo de deposición (a temperatura ambiente ) de 5 a 15 minutos producido un cambio en la rugosidad de la superficie , R, Del depósito de plata, 1,5 a 6,0 % (determinado por AFM) . El seguimiento de cobre electrolítico en un típico PCB es a menudo acabado por cepillado mecánico y es muy áspero en la escala del micrón . La imagen presentada en la Figura 1 se obtuvo mediante Atómica Microscopía de Fuerza (modo de resonancia ) y muestra un área de una pista de cobre de una placa de circuito cubiertos de plata de inmersión con un espesor de ca . 200 nm del proceso de líquido iónico ( AgCl en Ethaline ) . Aquí es evidente que la estructura de la superficie y el acabado está dominada por el cobre pulido más bien por la capa delgada de inmersión . En consecuencia brillante y semi - brillantes capas de plata se han obtenido en función de la morfología de el substrato de cobre subyacente.
Figura 1: Resonante (pulsar) la imagen de un modo de pista de cobre PCB cubiertos de plata de la inmersión en líquidos iónicos ( Ethaline ) proceso para un espesor de aprox. 200 nm.
Los índices de depósito fueron investigados por el cuarzo microbalanza de cristal de las técnicas que hemos descrito en detalle antes y en otros lugares [15, 16, 17 ] . En resumen aquí , cobre electrolítico de depósito, de espesor conocido en un dispositivo de cristal de cuarzo resonante. La frecuencia de resonancia del cristal de cuarzo puede ser controlado en función del tiempo como el cristal de cobre revestido se sumerge en el plateado líquido iónico . Los cambios posteriores en la frecuencia resonante puede entonces (bajo condiciones adecuadas ) se convertirán en masa utilizando un método establecido [ 18].
En el gráfico se presenta en la figura 2 se muestra el cambio en la masa del cristal durante el depósito de plata para tres experimentos en los que el espesor inicial de cobre depositado fue de 0,1 mm, 0,17 mm y 0,37 mm. Este gráfico muestra dos características interesantes e importantes. El primero es que las tasas de variación de la masa con el tiempo , es decir, los índices de depósito , son similares para cada experimento y por lo tanto independiente del espesor del substrato de cobre . Además de esto, puede verse que para cada experimento de deposición de la tasa de variación de la masa se aproxima a cero después de cierto tiempo transcurrido y que esta vez es un función del espesor inicial de la capa de cobre . Esto es indicativo de la deposición sostenido y donde la deposición es sólo cesó cuando todo el cobre es desplazado .
Figura 2: variación de la masa un control en un cristal de cuarzo de 10 MHz recubierto con cobre y se sumerge en Ethaline que contienen cloruro de plata como una función de tiempo de inmersión . Tres experimentos iniciales con espesores de cobre sustrato igual a i ) 0,11 mm (línea punteada) , ii ) 0,17 mm (línea continua ) y iii ) 0,37 mm (línea discontinua) .
Aunque los datos anteriores demuestran que las tasas de depósito son bastante lentos , probablemente demasiado lenta para un sistema práctico , esto puede ser abordado mediante el aumento de la concentración de sal de plata , hasta una velocidad de depósito C.A. 0,2 micras min-1 se logra . Esto es viable para un proceso de deposición de inmersión comercial. Sin embargo , el aumento de la concentración de la sal de plata no altera sensiblemente la rugosidad de la superficie y permite acortar los tiempos de inmersión C.A. 2 minutos. Una serie de cupones de prueba fueron tratados en la nueva solución de líquido iónico con variaciones en las combinaciones de tratamientos , sal de plata , las temperaturas y las concentraciones de las soluciones. Los resultados de estos ensayos de optimización se utilizaron como base para el diseño , construcción y ensayo de una planta a escala piloto a un proceso de producción del modelo. Estas condiciones de proceso genéricos se resumen en la Tabla 1.
Tabla 1 : Protocolo de inmersión de plata para el procesamiento de una planta piloto de PCB a tamaño completo con una pista de cobre plateado brillante , adherente .
4. Piloto Scale Up
4,1 Materiales compatibilidad
Compatibilidad del material es un tema importante en el diseño de una planta para su uso con líquidos iónicos . Los líquidos se suelen estable con la mayoría de los polímeros como el polietileno , polipropileno , nylon, teflón , PVDF y PVC. La adición de un agente oxidante como la plata (Ag ( I)) disminuye la compatibilidad con los elastómeros pero en la mayoría de los casos muy elastómeros fluorados son adecuados . Las incompatibilidades son material principal con metales : debido a la alta concentración de plata en solución. plata puede ser recubierto con una inmersión de estas soluciones en muchos substratos incluyendo inoxidable acero. En consecuencia todas las fijaciones internas por ejemplo tornillos de nylon o Ti , PTFE blindado sondas de temperatura, fueron escogidos cuidadosamente y no metálicos rotores de bombas y las tuberías se utilizaron en la construcción.
Los propios líquidos , en principio, económicamente competitivo con el proceso acuoso debido principalmente a la simplicidad (y el costo comparable) de las sales de plata utilizado y la falta de catalizador de metal precioso (junto con pasos deposición asociados) necesarios para mantener la deposición sostenible.
4.2 Diseño y operación
Una planta a escala piloto fue diseñado y construido para proporcionar un ensayo a gran escala del proceso a la plata para el recubrimiento de las juntas de varias capas en una simulada / run modelo de producción . La planta utiliza los materiales convencionales de construcción ( tanques y accesorios de polipropileno ) y los métodos , y es organizada como una serie de tanques de temperatura controlada con una extracción de base del labio para cada tanque y un bastidor oscilante escalera de la agitación de las plantillas de PCB durante el depósito con el fin de facilitar el recubrimiento del interior de los agujeros perforados de interconexión . La planta se ha instalado y puesto en marcha Circuitos en PW ( Leicester ) , Figura 3 . La línea de proceso se compone de doce California L 140 tanques con cinco de estos tanques que contienen IL grabado , aclarado o la química de deposición . El volumen IL en estos tanques total de aproximadamente 750 L hacer que este proceso uno de los de mayor escala y las actividades commericalisation utilizando líquidos iónicos . El primer tanque se compone de un tanque de ácido etch híbrido para eliminar cualquier película superficial formado en el seguimiento de cobre. etch residual se elimina mediante lavado en líquidos iónicos. Los tanques de depósito Ethaline son relativamente insensibles a los contenidos de agua con 3 % en peso normalmente adsorbida de la atmósfera bajo condiciones de proceso . La presencia de agua no parece afectar a la solubilidad de cloruro de plata, pero para reducir acumulación de agua en el tanque de depósito de plata un lavado doble en Ethaline pura se instaló en tanques 2 y 3.
tanques Figura 3: Planta piloto durante la puesta en Circuitos PW ( Leicester ), 12 (140 L ) dispuestos en un proceso lineal , grabado tanques hacia la parte delantera . de acero inoxidable recubierto de PVC bastidor oscilante escalera es visible y las plantillas de tamaño completo PCB son probados para un ajuste en la primera de las dos de plata chapado tanques.
Tras el enjuague doble, las tablas se sumergen en una solución concentrada para AgCl 2 minutos , donde hasta 0,5 micras de plata era típicamente depositados . Las juntas se sumergieron en una menor concentración de cloruro de plata que permitieron una estructura de grano fino que se depositará a un ritmo más lento. Esto produce un acabado estéticamente mejor como puede verse en la Figura 4 . La evaluación cualitativa estética del acabado sugiere que el líquido iónico proceso de inmersión de plata es menos competitivo con electrolitos comerciales tales como Plata de ley. Las tablas se sumergen en una solución acuosa de tampón para eliminar cualquier exceso de plata de arrastrar , seguido de un lavado con agua caliente . Finalmente las juntas se secan en el aire caliente . El acabado superficial logrado es similar a la de procesar la plata acuoso actual electrolítico , el recubrimiento de plata fue uniforme y brillante, con vetas de cobre no evidente, con buena adherencia y buena resistencia a la abrasión y pulido manual .
Figura 4: Ejemplo de PCB procesados en la escala de banco con el proceso de líquido iónico . Las pistas son de cobre recubierto con plata para un acabado semi brillante y consistente.
Una selección de los cupones de prueba estándar británica se fabricaron , cepillado y procesados por la línea de líquido iónico por encima de la inmersión de plata, luego la mano ensambladas y soldadas. Los primeros resultados son muy alentadores. ensayos de pruebas Soldabilidad y envejecimiento acelerado se realizaron en pequeñas fichas de varios niveles de PCB y totalmente fabricado piezas PCB prueba utilizando los métodos estándar de la industria . Una muestra de una sección de soldadura se presenta como la figura 5a. Aquí se puede ver en la sección de un agujero de 0,5 mm que el mojar la soldadura es muy buena; la soldadura se ha ejecutado a través del agujero y formó un lazo intermetálicos homogénea , insertar Figura 5b, al sustrato de cobre y formó un estándar " remache " forma en ambos lados . pruebas cuantitativas soderability ( orinarse en equilibrio) y pruebas de envejecimiento están actualmente en curso, pero el análisis cualitativo mostró que estas cuestiones clave son fuertemente dependientes de la eficacia del lavado y etapas de secado.
Figura 5a : Imágenes de SEM de una soldadura de conjuntos seccionados en un tablero de fibra de vidrio en un agujero de 0,5 mm en un sustrato de cobre cubiertos de plata de un proceso de inmersión en líquidos iónicos.
Figura 5b : insertar la imagen ampliada de 5a .
cuestiones de sostenibilidad y medio ambiente 4,3
Durante el desarrollo del proceso de la galjanoplastia de plata se ha hecho evidente que el etilenglicol tiene algunos problemas ambientales que pueden limitar proceso de utilización de algunos mercados, particularmente en los EE.UU. En consecuencia nos hemos propuesto para evaluar el desempeño de los sustitutos en la formulación líquida de la plata de inmersión galvanoplastia y otras aplicaciones. glicol Aquí hemos considerado propileno , PG , como sustituto estequiométrica ya que no tiene restricciones sobre su uso y puede ser más conveniente en el largo plazo. Es, sin embargo , considerablemente más caro que afectará a la economía global del proceso.
fichas de cobre metal fueron cubiertos de plata de inmersión en condiciones idénticas en ambos EG ( Ethaline ) y PG ( Propaline ) líquidos a base de . Los resultados fueron muy positivos, el acabado estético de la galjanoplastia de plata de los dos líquidos era cualitativamente indistinguibles y la rugosidad de la superficie y morfología , Determinado por AFM , de los dos depósitos es muy similar. Fotografías y datos de AFM para estas muestras se presentan en la Figura 6 . Si bien estas pruebas no son de ninguna manera exhaustiva los resultados sugieren que la PG puede ser un sustituto en la formulación del líquido de inmersión para la plata chapado donde EG ya no puede ser utilizado sin pérdida de funcionalidad o aplicación.
Figura 6: sustrato de cobre recubiertos con Ag fichas utilizando el protocolo de proceso líquido iónico a partir de ( a) Ethaline 200 y ( b ) Propaline 200. Tapping imagen del modo AFM ( c) y ( d ) de la muestra ( a) y ( b ), respectivamente .
Por último , la sostenibilidad general del proceso dependerá en gran medida de la longevidad de las soluciones de proceso. En estos momentos estamos trabajando en estudios de ciclo de vida y el análisis de los líquidos en las distintas etapas a lo largo de su uso. Ya hemos hecho observaciones cualitativas que los líquidos son tolerante de la contaminación menor , por ejemplo Cu y Fe . También estamos analizando una serie de escenarios de reciclaje para la retirada del exceso de cobre en el pasado soluciones de enchapado .
5.0 Conclusiones
En este estudio se han llevado a cabo la optimización de los protocolos de la capa de inmersión de la plata del cobre en los componentes de vía PCB utilizando una nueva clase de líquidos iónicos . El protocolo final de la comercialización de recubrimientos por inmersión de plata , brillantes e incluso y dar soldabilidad que sea tan bueno como la corriente de ácido comercial de plata de ley basados en procesos acuosos. De importancia crítica para el proceso líquido iónico es que no hay una interfaz de máscara de soldadura se observa el grabado . Esto es una ventaja muy importante sobre el proceso acuosa especialmente en lo que los tamaños de las características de componentes de la placa y los diseños se más pequeños. Los índices de depósito puede ser manipulado y controlado por la temperatura o la concentración de plata de los tanques de galvanoplastia . Además las cuestiones que hemos abordado en relación con la toxicidad de glicol de etileno y han llevado a cabo ensayos con glicol de propileno como una alternativa. Los resultados sugieren que la PG puede ser un sustituto en la formulación del líquido de la plata chapado de inmersión sin pérdida de funcionalidad o aplicación, donde EG ya no puede ser utilizado.
6.1 Agradecimientos
Los autores desean agradecer a la UE en el marco del programa marco para la financiación de 6 ( IONMET proyecto, http://www.ionmet.eu/) .
http://www.pcb007.com/pages/zone.cgi?artcatid=&a=59776&artid=59776&pg=7
Una de las ventajas de las pruebas de ciclo térmico de los cupones para establecer la fiabilidad es que el inicio y la tasa de acumulación de daño, expresado como aumento de la resistencia , se pueden representar e interpretar . El inicio y la tasa de aumento de la resistencia permite una mayor penetración en los modos de fallo . Esta idea se puede expresar como una mayor precisión en la predicción de que las condiciones son enormes y los fracasos se puede expresar en el montaje y el medio ambiente del uso final.
Como se recordará , el año pasado me escribió varias columnas relacionadas con mi proyecto personal "diversión" para crear un "Hombre vs Mujer Display- O-Meter "(véase también 
