DSA涂层钛电极在PCB行业中的应用

1、前言
  DSA (Dimensionally Stable Anode,尺寸稳定阳极)即涂层钛阳极,被视为20世纪电化学领域中最重要的发明之一,它是一种以金属(Ti)作为基体, 在表面涂覆以铂族金属氧化物为主要组分的活性涂层的新型不溶性电极。它以具有耐腐蚀性、极距变化小、催化活性高、使用寿命长等突出优点而取代了传统的不溶性石墨阳极,大量投入工业化生产, 并广泛应用于化工、冶金、电镀、水处理、环保、海洋、阴极保护等领域中。
  印制电路板(Printed Circuit Board,简称PCB)是电子产品的基本零组件, 也是现代电子构装技术的重要环节。全世界2002年PCB总产值为3l6亿美元,2003年为345亿美元,同比增长9.18%。印制电路板中的电镀是以孔金属化为中心的综合了前处理、化学镀、电镀、退镀等技术的工艺。PCB是上世纪六十年代开始应用于电子产品的,随着电子元件的高密度化和集成化,单面和双面线路板已经不能满足高密度和微型化的需求,因此多层印制线路板技术应运而生。现在,对电镀技术要求更加高的多层板的孔化及图形电镀技术, 代表着一个国家电子工业的水平。
  另一方面,随着PCB行业的发展,它对环境产生的污染也是必然的。PCB生产过程对环境产生的污染主要是废水、废液、废气以及废品(渣)等,由于国内的种种原凶,这些污染是存在的,而且还会越来越严重。在这种情况下, 清洁生产也被提上了日程。
  目前采用电化学处理方法来处理PCB行业的废水、废液不会对环境产生二次污染, 得到业内人士的青睐。而DSA涂层钛阳极作为电解环节中的电极,以其镀件质量高、电能消耗小、尺寸稳定、电极不溶解等优势在PCB电镀工艺和清洁生产中必然会有广阔的应用前景。
  2、DSA在PCB生产中应用的可行性
  2.1 技术成熟方面
  2.1.1 DSA在电解行业中的技术成熟性DSA作为不溶性电极,目前应用最广泛的行业是氯碱工业。电解食盐水溶液制取氯气和烧碱时,阳极上主反应为析氯反应,副反应为析氧反应,RuTi涂层电极的使用, 具有损耗量极小,析氯电位大幅度降低、尺寸形状稳定、产生的氯气气泡容易脱离、在电解液中不滞留等优点,到20世纪80年代末氯碱工业用钛电极在日本已有1×105m2以上,全世界有1×106m2以上。可以说全世界应用DSA作为不溶性阳极进行电化学反应的技术已经很成熟。
  2.1.2 DSA在PCB生产流程中的技术可行性,对于电镀工艺来说,目前在PCB行业中绝大部分都是采用可溶性阳极(溶解型阳极)的电镀方法,以镀铜来举例说明,镀铜中的阳极是由阳极网篮和篮内的磷铜球以及包裹在篮外的阳极袋组成,阴极则是需要镀上铜的镀件--线路板,在酸性镀铜槽内,阳极篮内的铜球不断溶解成Cu2+,当Cu2+均匀扩散到阴极后,吸收电子,还原成金属铜,沉积在线路板上,形成均匀、光亮的镀层。阴阳两极发生的主要反应如下:
  阳极:Cu— Cu2++2e-
  阴极:Cu2++2e- 一 Cu
  这种可溶性阳极的使用有它的优点,如可以方便连续地稳定镀液中铜离子含量,减少劳力资源,但也有很大的缺陷:(1)对电流密度的要求很高,高密度会容易引起阳极钝化和氧化膜的生成,从而使阳极溶解太慢或停止,形成不溶解阳极,产生氧气,过多的消耗电镀液铜离子和其它光亮剂;(2)可溶性阳极一般要含0.03%加0.06%的磷,目的是防止高电流密度电极的钝化和极化,但是磷的加入,增加了生产成本;(3)使用这种可溶性的阳极,不可避免的会有一些阳极泥的产生,对电解液造成一定程度的污染,从而影响镀件的质量:(4)铜球没有完全装满或铜球之间发生“桥接”,则篮内表面保护性的钛氧化层会受到损坏,缩短了钛篮的使用寿命。
  在PCB电镀中使用不溶解性阳极的新工艺,一般都要求提供一个Cu2+补充系统,用来维持Cu2+浓度的稳定。用HDI(高密度互连板)的电镀铜来说,比较典型的是在不溶性阳极系统之外再添加一个装有铜球的铜再生槽,由再生槽将铜溶解再通过泵输送到电镀槽中去。
  2.2 提高产品质量方面:使用不溶的涂层钛阳极后,是从以下三个方面来提高产品质量的:(1)对于镀件表面分布来说,很大程度上取决于阳极条件,当阳极得到很好的维护时,其结果是可以接受的,但是溶解型阳极容易钝化,随着每小时电镀的进行,钝化越来越明显,使得镀层的分布变差,不溶性电极就不存在这个问题,镀件的表面分布不会受电镀时间的延长而变差,即提高了镀件的质量。(2)阳极不溶解,不会有阳极污泥的生成,进而就不会污染电镀溶液,再加上对循环的电解液进行了过滤循环,镀件质量更高。(3)DSA涂层钛阳极尺寸稳定,在电解过程中;电极间距离不变化,可保证电解操作在槽电压稳定;情况下进行,对两极提供了一个稳定的反应体系,有利于提高镀件的质量。
  2.3 增加经济效益方面:
  (1)采用DSA涂层钛阳极的电镀系统以后,不需要使用磷铜球,而改为使用造价低的铜球,同时也可以利用生产中再生的铜,减少了生产成本,也就增加了经济效益。
  (2)把硫酸亚铁加入到镀电解液中去,阳极的反应变为Fe2+氧化生成Fe3+,从而消灭了阳极表面处任何氧气的逸出,并减少了电镀液铜离子和其它添加剂的消耗,节约了成本。
  (3)DSA阳极的工作电压低,因此电能消耗小,可节省电能的消耗,减少生产成本。
  2.4 加强生产管理方面: 采用新的系统之后,有以下几个管理方面的优点:
  (1) 采用独立的两个系统,对电流密度的要求大大降低, 高密度的电流密度不存在对铜球表面造成钝化和形成氧化膜,减去了定期清洗磷铜球的工作。
  (2) 两个独立的系统,电镀系统中没有电解污泥产生,电解液管理更加方便。
  (3) 目前使用阳极袋,要经常清洗并检查(大约每周一次)其是否破损,操作比较繁琐,阳极袋一旦破损,对生产造成的损失也是很大的,同时也给生产的管理带来很大的不便,新系统中无阳极袋,省去了一些管理上的麻烦。
  3、结语
  在PCB生产过程中,电镀工艺采用DSA涂层钛阳极,不仅可以提高镀件的质量,而且可以减低生产成本、提高经济效益,方便生产管理。同时,在PCB清洁生产过程中,采用DSA的电解方法来处理蚀刻废液,回收铜并且实现蚀刻废液的再生同样可行,这种做法不仅可以减少对环境的污染,同时也可以给企业带来很大一部分的经济效益。DSA涂层钛阳极至发明以来,在世界各个工业的电解行业中得到了广泛的应用,而作为电子行业主要产品的PCB,几乎在所有的电子产品中使用,其发展的速度也是非常快速的,近十几年来,我国PCB工业每年以1 5%以上的高速度发展,已跨进世界PCB大国之列一,两者的有机结合必然会带来极大的效益。
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