الطلاء بالنحاس غير الكهربائي في تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB): العملية والآليات

يُعد الطلاء بالنحاس غير الكهربائي خطوة أساسية لتمعدن الثقوب في تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة، ويُستخدم على نطاق واسع في صناعة الإلكترونيات، خصوصًا في إنتاج اللوحات متعددة الطبقات وعالية الكثافة. الغرض الرئيس منه هو ترسيب طبقة نحاس متجانسة على جدران الثقوب وعلى سطح اللوحة لضمان توصيل كهربائي موثوق ونقلٍ سليم للإشارة.

تقدّم هذه المقالة تحليلًا مفصّلًا لخطوات العملية وآلياتها الأساسية لمساعدة القارئ على فهم هذا الإجراء المهم.

نظرة عامة على العملية

بعد الثقب والتنظيف، تحتاج مواضع التوصيل البيني في الـPCB إلى معالجة تمعدن. يُعد الطلاء بالنحاس غير الكهربائي عمليةً تقليدية لتمعدن الثقوب، والخطوات النموذجية كما يلي:

• إزالة الدهون (De-oiling Adjustment)
• النقش الدقيق (Micro-etching)
• الغسل الحمضي (Acid Washing)
• التنشيط (Activation/Catalysis)
• التسريع/الاختزال (Acceleration/Reduction)
• الطلاء بالنحاس غير الكهربائي:

تحليل الآلية

فهم التفاعلات الكيميائية ودورها في كل خطوة أمرٌ محوري لتحسين العملية ورفع جودة التحكم.

(1) إزالة الدهون

قد تبقى دهونٌ أو آثار أصابع أو طبقات أكسيد على جدران الثقوب وعلى رقائق النحاس، ما يعيق ترسيب طبقة النحاس. كذلك فإن الاحتكاك الميكانيكي أثناء الثقب يجعل جدران الثقوب مشحونةً سلبًا، ما يضعف امتصاص محفّز البلاديوم الغروي. لذا تُستخدم مواد خافضة للتوتر السطحي موجبة الشحنة لضبط شحنة السطح وتحسين امتصاص المحفّز.

(2) النقش الدقيق (Micro-etching)

بعد إزالة الدهون قد تبقى طبقةٌ عضوية رقيقة على النحاس. إن لم تُزل، فإنها تُضعف امتصاص المحفّز وتلتصاق طبقة النحاس بالركيزة. يزيل النقشُ الدقيق هذه الطبقة ويخشّن السطح لزيادة قوة الالتصاق.

التفاعلات الشائعة في النقش الدقيق:

• نظام حمض الكبريتيك/فوق الكبريتات: $$\text{Cu} + \text{H}_2\text{O}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{CuSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$$
• نظام حمض الكبريتيك/بيروكسيد الهيدروجين:
  $$\text{Cu} + \text{H}_2\text{O}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{CuSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$$

تُسهم هذه التفاعلات في إزالة الأكسيد والطبقة العضوية وجعل السطح نشطًا للخطوات اللاحقة.

(3) التنشيط (Activation/Catalysis)

هدف التنشيط هو تكوين جسيماتٍ معدنية محفِّزة على السطح العازل لبدء ترسيب النحاس غير الكهربائي. أظهرت الأساليب الحديثة ثلاث طرق رئيسية:

أ. طريقة التحسيس ثم التنشيط (Sensitization–Activation):
يُستخدم أولًا محلول كلوريد القصدير الثنائي (~5%) للتحسيس، ثم كلوريد البلاديوم (1%–3%) للتنشيط لتكوين ترسيب من البلاديوم. تفاعلاتها النموذجية:

ثم يتفاعل القصدير الفلزي مع أيونات البلاديوم:

ب. تنشيط البلاديوم الأيوني المُخَلْب (Chelating Ion Pd):
تُعقَّد أيونات البلاديوم بعامل تخليب لمنع تفاعل الإزاحة مع النحاس، ثم تُختزل لاحقًا إلى بلاديوم فلزي نشط.

ج. تنشيط البلاديوم الغروي (Colloidal Pd):
يتجنب تفاعلات الإزاحة ويعزّز الالتصاق، إذ تُمتَص جسيمات البلاديوم الغروية على السطح وتوفّر نشاطًا حفّازيًا عاليًا واستقرارًا للعملية.

(4) التسريع/الاختزال (Acceleration/Reduction)

بعد تنشيط البلاديوم الغروي، تكون نوى البلاديوم محاطةً بمركبات الستانات. يزيل التسريعُ الفائضَ منها لكشف النوى، ما يرفع النشاط الحفّازي ويحسّن الالتصاق ويقلّل العيوب.

(5) الطلاء بالنحاس غير الكهربائي

الخطوة الجوهرية هي اختزال أيونات النحاس إلى نحاسٍ فلزي يترسّب على السطح دون تيارٍ خارجي (عملية ذاتية التحفيز). يمدّ عاملُ الاختزال الإلكترونات اللازمة لتحويل (\mathrm{Cu^{2+}}) إلى (\mathrm{Cu}).

يُستخدم الفورمالديهايد غالبًا كعامل اختزال لقوته الانتقائية وقدرته على إنتاج ترسيبٍ نحاسي متجانس ومستقر. لكن لسمّيته، يجب ضبط تركيزه وظروف التشغيل بدقة.

المعادلات:

• الاختزال (أيونات النحاس): $$Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu$$
• الأكسدة (عامل الاختزال): $$R - O + 2e^{-} \rightarrow R - O + 2e^{-}$$

(يُمثّل (\mathrm{R}) عاملَ الاختزال مثل الفورمالديهايد؛ تتبرّع الأيونات/الجزيئات بالإلكترونات وتُؤكسَد إلى نواتج عضوية مقابلة).

الأسئلة الشائعة: الطلاء بالنحاس غير الكهربائي

الخلاصة

الطلاء بالنحاس غير الكهربائي خطوةٌ حاسمة لتمعدن ثقوب الـPCB، وتتطلّب السيطرة الدقيقة على كيمياء الحمّام وجودة التحضير عبر عدة مراحل. يساعد فهم كل خطوة وآليتها على تحسين الجودة، ورفع الكفاءة، وخفض العيوب. ومع تطوّر التقنية، تتواصل الأبحاث والتطبيقات لطرق الطلاء غير الكهربائي، ما يوسّع الخيارات ويُحسّن الاعتمادية في صناعة الإلكترونيات.