TWI307730B - Method of using ultrasonics to plate silver - Google Patents
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Description
1307730 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於利用超音波進行浸鍍處理，尤其是藉由鍍銀 之浸鍍技術作爲電路板製程之最後修飾。更特別是，超音 波使用的目的，在浸鍍銀過程中能減少過剩的電流侵蝕 (galvanic corrosion)，其發生於焊錫遮罩及銅電路圖形之界 面上。 【先前技術】
典型的印刷電路板（PCB)製造過程，包括許多步驟，-部分是因爲提高性能的需求增加。在印刷電路板上的表面 線路通常包括銅及銅合金材料，其能於塗覆上提供與總承 之其他裝置良好的機械與電性連接效果。在印刷電路板的 製作中第一步驟至少包括準備一線路板，第二步驟至少包 括於線路板上安裝人不同的零件。 —般有兩種類型的零件用於附接於線路板：a)有接腳零 件’例如電阻器、電晶體之類，其藉由各個接腳之插入電 路板上之穿孔以附接於線路板上，然後確保使接腳周圍的 通孔上被塡滿焊錫；及b)表面黏裝零件（surface mount devices)，其藉由在平面接點區域之焊接或藉由接著劑之黏 ，以對電路板表面附接。 印刷電路板之通孔電鍍可藉由至少包含如下之一連續 步驟的加工製造，儘管也可使用其他之連續步驟。在每個 步驟之間亦可以使用淡水加以沖洗。 1) 於銅箱積層板（c ο p p e 1· c 1 a d la m i n a t e)上鑽穿孔洞； 2) 對板子的處理，其透過標準電鍍經由孔洞在孔洞和 1307730 表面上鍍上無電電鍍銅（pi ate electroless copper); 3) 塗敷一電鍍遮罩（plating mask); 4) 在孔洞及裸露的電路上，電解法電鍍銅到想要的厚 度； 5 )在孔洞及裸露的電路上，電解法電鍍錫來當作抗蝕阻 劑（etch resist); 6) 剝除抗鍍阻劑（p I a t i n g r e s i s t); 7) 蝕刻裸露的銅（即，未鍍上錫的銅）；
9)塗敷 '成像及顯像一焊錫遮罩（solder mask)，上述除 了連接區域外，焊錫遮罩覆蓋實質上全部的板面； 1 〇)防護層；和 11)清潔及微蝕刻該連接區域。 可被使用來製備第一階段的印刷電路板的其他一連續 步驟例子，記載於 Soutar et al.，US. Patent No.6,3 1 9,543, Toscano et al. US. Patent N o. 6,6 5 6,3 7 0, Fey et al. US. φ Patent No.6,815,126’這些技術內容均完全整合在參考文獻 中〇 焊錫遮罩（S ο 1 d e r m a s k)爲一種在印刷電路板上，除了焊 墊（solder pads)' 表面貼片（surface mount pads)及印刷通孔 (printed through-holes)以外之全部區域選擇性地以有機聚 合物塗覆遮蓋的作業。聚合物的塗覆作用就像個在襯墊 (p a d s)周圔的堤壩，防止組合時不必要之焊錫流動，也同時 提局導體間的電絕緣性（electrical insulation resistance)，且 提供抵抗環境破壞的保護。 1307730 焊錫遮罩典型地爲環氧樹脂該化合物係與基板 (51^^〖6)相容°焊錫遮罩可以將想要的圖案網印（^1.^11 print)到印刷電路板或覆蓋乾的薄膜感光（photoimageabie) 焊錫遮罩至其表面。兩種型態的焊錫遮罩爲一般該領域熟 悉該項技術者所知悉。
接觸區域包含打線區域（wire-bonding area)、晶片接觸區 域、焊接區域和其他接觸區域。例如接觸端子（contact finishes)必須提供良好地可焊性、良好的金屬線連接性能及 高抗腐蝕性。典型的先前技術接觸端子塗層至少包括頂部 含電解金層的電解鎳塗層，儘管其他種塗層也爲該領域熟 悉該項技術者所知悉。 焊錫通常用來製造機械的、電機的或電子的連接到各式 各樣的物品。在利用印刷電路的電子配備之製造中，電子 零件連接到印刷電路的方式爲藉由焊接零件的導線到通 孔、周圍的襯墊（pads)焊墊（lands)及其他連接點（整體地謂 之「連接區域」）。典型地，藉波焊技術（wave soldering techniques)以產生連接。 爲使焊接的操作變容易，印刷電路製作者必須安排通 孔、襯墊 '焊墊和其他連接點接受過後續的焊接加工。因 此這些表面必須可立即藉由焊錫潤濕，且可藉由導線或表 面的電子零件來達到整體導電連接。因爲這些需求’印刷 電路製作者想出各種保護和提升表面可焊性的方 '法。這些 方法如 Redline et a]· U.S. Patent No_6,7 7 3,7 5 7，Ferrier et al.U.S. Patent No .5,9 5 5,640所記載，且其技術內容均整體 地呈現在參考文獻中。 1307730 如專利6,773,757和5,955,640(參考文獻所示）中所討論 的’浸鍍銀的沉積提供了優異的可焊性及保護劑，尤其是 印刷電路板的製造上更有助益。浸鑛爲一加工過程，其爲 表面取代反應靠著被電鑛的表面溶解到電鍍溶液中，同時 電鍍金屬從電鍍溶液中沉積到表面上的結果。開始浸鍍時 不需先活化表面。被電鍍的金屬通常較表面金屬活性差。 因此浸鍍通常比起需要複雜催化劑電鍍溶液且表面需先做 活化處理的無電電鑛（e] ecη·ο 1 e s s p 1 ati ng)容易控制且划算。
然而，浸鍍銀沈積的使用可能有問題因爲有焊錫遮罩界 面破壞（soldei· mask interface attack (SMIA))的可能性，其 中電流侵蝕（galvanic attack)可能侵蝕位於焊錫遮罩與銅線 路界面間的銅線路。焊錫遮罩界面破壞（SMIA)又有其他名 稱，如焊錫遮罩間隙腐蝕（solder mask crevice corrosion)和 焊錫遮罩界面的簡單電流破壞。無論名稱如何，問題至少 包括了焊錫遮罩銅表面的電流侵蝕。因此需要改善浸鍍製 程，使其可最小化或排除界面的電流侵蝕。最後，本案發 φ 明人發現在浸鍍過程中結合超音波使用，特別是在浸鍍銀 的製程，其可提供有利的結果。界面電流侵蝕的產生，爲 伴隨著焊錫遮罩銅界面結構及浸鍍歷程而產生。 印刷電路板電鍍前的清潔，已經有在使用超音波。超音 ^ 波也已有使用在幫助微通孔及盲微導通孔的塡充。.例如： - Matanabe et al.之美國專利第5,705,2 3 0,這些技術內容均整 體呈現在參考文獻中，其描述塡充基板表面細小孔洞或覆 蓋小凹處的方法，其中在沈積時控制電壓且/或能量的變 化’爲·Γ改善電鑛沈積的效能，如低頻率、高頻率或is音 1307730 波震動亦被作用到基板上。同樣的Z h a n g e t a ].之美國專 ' 利第6,746,5 90這些技術內容均整體呈現在參考文獻中’其 - ' 描述超音波能量的使用以提高電鍍製程的品質。然而’在 * 這所描述的方法中’超音波的使用並未結合浸鑛製程。 [發明內容】 - 本發明案的目的爲在製造印刷電路板時將焊鍚遮罩界 . 面侵蝕效應消除或最小化。 本發明案另一個目的爲硏究超音波在浸鍍上的使用’特 Φ 別是浸鍍銀，以提供銀沈積時，沒有焊錫遮罩界面破壞 (SMIA)的產生。 最後，本發明案指出在製造印刷電路板時，減少焊錫遮 罩界面破壞的方法，至少包括下面步驟： a) 提供一具有施用焊錫遮罩於其上的印刷電路板； b) 將此印刷電路板施以浸鍍液處理，其中印刷電路板置 於浸鍍印刷電路板的浸鍍槽內，同時施以超音波震動至印 刷電路板。 【實施方式】 發明Λ發現浸鑛過程，尤其是浸鍍銀製程可在電鍍時藉 由超音波提高品質，其可最小化或消除焊錫遮罩界面破 壞’且生產更加的浸鍍沈積。 " 本發明案指出一在製造印刷電路板時，減少焊錫遮罩界 - 面破壞的方法，至少包括下面步驟： a) 提供一具有施用焊錫遮罩於其上的印刷電路板； b) 將此印刷電路板施以浸鍍液處理，其中印刷電路板置 於浸纟度印刷電路板的浸鍍槽內，同時施以超音波震動至印 1307730 刷電路板，上述步驟當與習知未使用超音波的製程相互結 合時，’可降低焊錫遮罩界面破壞，尤其是浸鍍銀。 \ 超音波震動使用頻率爲小於約80kHz爲佳，更佳爲約 • 40kHz至80kHz，最佳約40kHz。雖然超音波震動使用持續 時間並非關鍵，但是具代表性地超音波使用時間爲約60到 • 1 80秒。更佳具體的實施例中，超音波震動的使用爲浸鍍的 . 全部時間。 超音波源設置於浸鍍槽，超音波源發出超音波能量於電 % 鍍表面。印刷電路板與超音波震動方向可呈垂直或水平。 在一實施例中，印刷電路板與超音波震動呈水平方向。印 刷電路板在電鍍時使用的超音波震動，可以使用一般該項 技術領域所知儀器。例如，Z h a n g e t a I.之美國專利6,7 4 6，5 9 0 所述，超音波源可以單長型轉換器（single elongated transducer)或轉換器沿著軸以陣列方式形式提供。 —些適合浸鍍銀組成物，可適合代表性使用的至少包 括：
a) 可溶的銀離子源； b) 酸且/或緩衝溶液； c) 螯合劑； d )微晶劑（g r a i n r e f i n e r); e) 光澤抑失劑（tal·ni sh inhibitοl·) f) 界面活性劑 應該知道的是，有多種普遍性的配方存在。其常見的特 色皆爲用浸鍍機構來鍍上所有的銀沈積 > 利用銀置換銅， 當做相反於電解（e 1 e c U q 1 y t i c )(係使用電流來驅動）而非電 1307730 解（e 1 e c t r ο 1 e s s)係使用還原劑。故在本發明中使用超音波在 浸鍍製程係一特別應用。
雖然硝酸銀是較常使用，但可溶的銀離子來源仍可來自 於各種的銀化合物。雖然各種酸均適合使用在這配方中. 但甲磺酸爲最常被使用。其包含咪唑（imidazole)或咪唑衍 生物時對於藉由浸鍍銀溶液製造的電鍍金屬製品有重大的 影響。如上所描述含有咪唑可使電鍍沉積變閃亮且改善電 鍍結果的完整性及物理性質。另外，咪唑也延長浸鍍溶液 的使用壽命。大家特別喜愛使用含有咪唑的一個例子爲組 胺酸。電鍍溶液可選擇性地但以也包含硝基芳香族化合物 (n i 11· 〇 a 1· 〇 m a t i c)爲佳，更佳爲含二硝基化合物，如3，5二硝 基羥苯甲酸。 浸鍍銀溶液可以在從室溫到達200°F時，於本發明製程 上使用，但最好是在8 0 °F至1 2 0 °F。浸泡於電鍍溶液的時 間可以爲約6 0到1 8 0秒。 〔實施例〕 爲了證明超音波的成效對於浸鍍銀沉積是有助益的，_ 系列的測試作爲硏究印刷電路板在電鍍到接觸區域的表面 時，其超音波對浸鍍銀沉積產生的影響。 將近1 5公升容量的超音波槽與裝有一標準電鍍銀溶液 (2%酸）50°C的1公升的燒杯一起使用。使用於本發明案的 一·適虽彳谷液爲 STERLING®銀電鑛系統（商品名），可由 M a c D e r m i d, I n c .購得。 燒杯置於2英吋高的支架上，在電鍍時以手來移動在溶 液內使用的樣品，而該溶液並無攪拌。使用的電源（power -11 - 1307730 supply)供應不同的超音波頻率，40、80'】20和I70kHz頻 率。功率調整（power modulation)及頻率掃描（frequency sweep)的高低速率及各種脈寬（width)也在硏究中。 實施例1.不同頻率下轺音波效應之測試檢測 爲了評估超音波於電鍍銀槽內使用的可行性，一系列的 樣品作爲評估於不同超音波頻率下從控制組（無超音波）到 1 70kHz的高頻，時間從90秒到1 80秒’產生的界面電流侵 蝕。結果如表1所示。
-12- 1307730 表1超音波頻率對於界面電流侵蝕的影響
標記 超音波頻率 時歐秒） 厚度(微英吋） SMIA1 1 備註 C-1 未使用 90 10.2 4 控制組 C-2 未使用 180 24.3 4+ 控制組 40-1 40kHz 90 14.0 2 福著優於控制組 40-2 40 kHz 180 28.2 2-3 顯著優於控制組 80-1 80 kHz 90 12.8 2-4 些微優於控制組 80-2 80 kHz 180 26.0 2-3 些微優於控制組 120-1 120 kHz 90 11.7 4 與控制組相似 120-2 120 kHz 180 24.6 3-4+ 與控制組相似 170-1 170 kHz 90 11.9 4+ 比控制組差 170-2 170 kHz 180 24.9 4-5 比控制組差 'SMIA ψ\ F等：1-無 SMIA
2- 有些微侵蝕但可接受程度 3- 無法接受的侵触程度 4- 嚴重的侵蝕 5- 剝離 如表1所見，超音波使用頻率在大槪40kHz時，證明了 於減少界面電流侵蝕上有顯著的影響。在較高頻率（約 Φ 80kHz)其影響較小，超音波頻率在最高（約170kHz)時結果 甚至是顛倒的。 第1A圖和第1B圖描繪出焊錫遮罩界面在條件C-1 (控 制組，無超音波）下及40-1 (40kHz，90秒電鑛時間）的掃描 式電子顯微鏡（S EM)照片圖。可看到的是，電鍍時持續使用 ' 超音波頻率大槪4 Ok Η z時，可產生改進的效果。 第2Α圖、第2Β圖和第2C圖描繪出在條件C-1 (控制組’ 無超音波，90秒電鍍時間）、40- 1 (40kHz，90秒電鍍時間） 及1 7 0- 1 ( 1 7 0 kHz，90秒電鍍時間）的試樣（coupons)上銀表 -13- 1307730 面的掃描式電子顯微鏡（SEM)照片。從掃描式電子顯微鏡相 片中看到，表面上並無發現不同。 \ 然後’試樣邊緣侵蝕的檢測和代表圖顯示於第3A圖和 - 第3 B圖。第3 A圖和第3 B圖描繪出在條件C -1 (控制組， 無超音波，9 0秒電鍍時間）及4 0 -1 (4 0 k Η z，9 0秒電鍍時間） - 下試樣（coupons)的掃描式電子顯微鏡（SEM)照片。兩個有使 . 用和沒使用超音波的例子均有侵蝕。然而，超音波使用頻 率在40kHz時似乎有所不同，其侵蝕較狹小，替代了如控 Φ 制組中較短且較寬的侵蝕。 實施例2.冬種超音波使用方向及持續時間 第二系列的測試爲用來判定：a)印刷電路板（PC pane]) 方向相對於超音波的方向爲垂直或平行的影響是否重要； 和b)超音波使用的時間，2 5 %或1 0 0 %的電鑛時間所扮演的 角色。每一片都在頻率4 0kHz下浸鍍。結果如表2所示。
-14- 1307730 表2超音波方向及持續時間對於界面電流侵蝕的影響 標記 試樣方位 時間(秒)2 厚度(微英吋） SMIA 備註1 CV 垂直 0/60 6.9 4 垂直控制組 CV 垂直 0/60 7.0 4 垂直控制組 15v 垂直 15/60 7.4 3-4 稍微優於控制組 15v 垂直 15/60 6.3 3-4 稍微優於控制組 60v 垂直 60/60 8.1 2 顯著優於控制組 60v 垂直 60/60 7.5 2 顯著優於控制組 ch 水平 0/60 3.8 4 水平控制組 ch 水平 0/60 3.7 4 水平控制組 15h 水平 15/60 5.2 3 稍微優於控制組 15h 水平 15/60 4.7 3-4 稍微優於控制組 60h 水平 60/60 6.5 1-2 顯著優於控制組 60h 水平 60/60 5.2 1-2 顯著優於控制組 1垂直指平行於超音波方向，水平方向指垂直於超音波方向。 215/60指總共60秒暫留時間(dwelltime)的前15秒使用超音波。
如表2所見，結果顯示超音波的影響在垂直和平行方向 上都有表現，以及在超音波使用持續時間成比例關係。 實施例3 .功率調整的變化及頻率掃描 第三系列的測試作爲判定功率調整和頻率掃描在界面 電流侵蝕的影響。在這測試中，超音波使用的頻率約 4 0kHz 1而暫留時間（dwell time)爲2分鐘。 1307730 表3功率調整的變化及頻率掃描在界面電流侵蝕的影響 標記 功率調整 掃描速率 掃描寬度(Sweep Width) 厚度 SMIA 1 無 yt、、 無 21.2 2 2 無 高 闻 23.6 2 3 ίΕ 商 低 17.9 2 4 低 局 20.9 2 5 Λ£ 低 低 19.3 2 6 有 無 無 18.7 2 C X X X 12.8 4+
在樣品1 - 6沒有觀察到特別不同地方，而所有的樣品的 焊錫遮罩界面破壞均顯著的優於控制組C。然而，觀察到 在速率上有較大的相依性：高速率的超音波。第4A圖、第 4B圖、第4C圖及第4D圖描繪出銀傳送到焊鍚遮罩界面， 在控制組狀況下（第4A圖）和三個樣品（樣品2、4和5)分別 爲第4B圖、第4C圖及第4D圖。 從上面結果可看到的，這些測試顯示在使用超音波的情 況下，明顯產生較少的界面電流侵蝕。重大的影響仍顯現 φ 於與超音波持續時間成比例。 【圖式簡單說明】 第1 A圖和第1 B圖描繪出焊錫遮罩界面在條件C-1 (控 制組，無超音波）下及40- 1 (40kHz，90秒電鍍時間）的掃描 ' 式電子顯微鏡（SEM)照片圖。 - 第2A圖、第2B圖和第2C圖描繪出在條件C-1 (控制組， 無超音波，90秒電鍍時間）、40- 1 (40kHz ’ 90秒電鍍時間） 及170-1(170 kHz，90秒電鍍時間）的試樣（coupons)上銀表 面的掃描式電子顯微鏡（SEM)照片。 -16- 1307730 第3A圖和第3B圖描繪出在條件C-1 (控制組，無超音 波，90秒電鍍時間）及40- 1 (40kHz，90秒電鍍時間）下試樣 (c 〇 u ρ ο n s)的掃描式電子顯微鏡（S E Μ )照片。 • 第4Α圖、第4Β圖、第4C圖及第4D圖描繪出銀在各 種情況下傳送到焊鍚遮罩界面。 【主要元件符號說明】 .無。
-17-
Claims (1)
1307730 十、申請專利範圍： 1. 一種在印刷電路板製程中降低焊錫遮罩界面破壞之方 法，至少包含以下步驟： a) 提供一印刷電路板及其上之焊錫遮罩；及 b) 使用浸鍍液以處理該印刷電路板，其中該處理印刷 電路板，係將印刷電路板置於浸鍍溶液內，同時對該印 刷電路板施以超音波震動。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該浸鍍溶液至少包 含一銀浸鍍溶液。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該超音波震動頻率 介於約40kHz至80kHz。 4. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該超音波震動頻率 約 40kHz 。 5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該超音波震動持續 時間爲約60秒至180秒。 6. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該超音波震動係於 浸鍍期間全程使用。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該印刷電路板可垂 直或水平於該超音波之震動方向。 8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該印刷電路板可水 平於超音波之震動方向。 9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該超音波震動頻率 低於約8 0 k Η z。 1 0.如申請專利範圍第2項之方法，其中該超音波震動頻率 低於約8 0 k Η ζ。
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