ציפוי נחושת אלקטרולס בייצור PCB: תהליך ומנגנונים

ציפוי נחושת אלקטרולס הוא תהליך חיוני למטאליזציה של חורים בייצור לוחות מעגלים מודפסים (PCB), ונפוץ מאוד בתעשיית האלקטרוניקה—בייחוד בייצור לוחות רב־שכבתיים ובעלי צפיפות גבוהה. מטרתו העיקרית היא להפקיד שכבת נחושת אחידה על דפנות החורים ועל פני הלוח, כדי להבטיח קישוריות חשמלית אמינה והולכת אותות יציבה.

מאמר זה מציג ניתוח מפורט של שלבי התהליך ושל המנגנונים הכימיים שמאחוריו, כדי לסייע לקוראים להבין טוב יותר את התהליך החשוב הזה.

PCB in copper plating process

סקירת תהליך (Process Overview)

לאחר קידוח וניקוי, דרוש טיפול מטאליזציה בקישורים הבין־שכבתיים. ציפוי נחושת אלקטרולס הוא תהליך קלאסי למטאליזציה של חורים, והשלבים הטיפוסיים הם:

• De-oiling Adjustment – הסרת שומנים/תיאום מטען
• Micro-etching – מיקרו-צריבה
• Acid Washing – שטיפה חומצית
• Activation (Catalysis) – אקטיבציה (קטליזה)
• Acceleration (Reduction) – האצה (חיזור)
• Electroless Copper Plating – ציפוי נחושת אלקטרולס

ניתוח מנגנונים (Mechanism Analysis)

הבנת התגובות הכימיות ותפקידן בכל שלב חיונית לאופטימיזציה של הייצור ולשיפור בקרת האיכות.

(1) De-oiling Adjustment – הסרת שומנים/תיאום מטען

במהלך ציפוי אלקטרולס, שומנים, טביעות אצבע או שכבות תחמוצת עלולים להישאר על דפנות החורים ועל נחושת הנחושת, ולפגוע בשיקוע שכבת הנחושת. בנוסף, החיכוך המכני בעת הקידוח מטעין את דפנות החור במטען שלילי, מה שמקשה על ספיחת זרז הפלדיום הקולואידלי. לכן עושים שימוש בחומרי פעפוע (סורפקטנטים) קטיוניים לשינוי מטען פני השטח ולשיפור ספיחת הפלדיום.

(2) Micro-etching – מיקרו-צריבה

לאחר הסרת השומנים נותר לעיתים סרט אורגני דק על פני הנחושת. אם אינו מוסר, הוא יפחית את ספיחת הזרז ואת ההדבקה בין שכבת הנחושת למצע. מיקרו-צריבה מסירה את הסרט האורגני ומחספסת את המשטח, ובכך משפרת את החיבוריות.

תגובות טיפוסיות במיקרו-צריבה:

מערכת חומצה גופרתית / מלחי פרוקסיסולפט:

מערכת חומצה גופרתית / מי חמצן:

תגובות אלו מסירות את שכבת התחמוצת והסרט האורגני ומאקטבות את המשטח לשלבים הבאים.

(3) Activation (Catalysis) – אקטיבציה (קטליזה)

מטרת האקטיבציה היא ליצור על המצע המבודד חלקיקי מתכת קטליטיים שיתניעו את תגובת ציפוי האלקטרולס. שיטות מודרניות נפוצות:

Sensitization–Activation – רגישות ולאחריה אקטיבציה (דו־שלבי):
תחילה משתמשים ב־~5% SnCl₂ לרגישות, ולאחר מכן 1–3% PdCl₂ לאקטיבציה, ליצירת משקע פלדיום מתכתי. התגובות:

Chelating Ion Palladium – פלדיום יוני בקומפלקס כילט:
קשירת יוני Pd במכלֵב כדי למנוע תגובת התמרה עם נחושת; לאחר מכן מחזרים ל־Pd מתכתי פעיל.

Colloidal Palladium – פלדיום קולואידלי:
חלקיקי Pd קולואידליים נספחים על המצע, נמנעות תגובות התמרה, ומשתפרים ההדבקה ויציבות התהליך.

(4) Acceleration (Reduction) – האצה (חיזור)

לאחר אקטיבציה קולואידלית, גרעיני ה־Pd מוקפים בתרכובות סטנאט. שלב ההאצה מסיר עודפי סטנאט, חושף את גרעיני הפלדיום ומגביר את הפעילות הקטליטית—ובכך משפר הדבקה ומקטין פגמים.

(5) Chemical / Electroless Copper Plating – ציפוי נחושת אלקטרולס

הליבה היא חיזור יוני נחושת לנחושת מתכתית—ללא זרם חשמלי חיצוני (תהליך אוטוקטליטי). מחזר מספק אלקטרונים הממירים (\mathrm{Cu^{2+}}) ל־(\mathrm{Cu}) ששוקע על המצע.

פורמלדהיד משמש לעיתים קרובות כמחזר בזכות עוצמת חיזור גבוהה ובררנות טובה, ומוביל למשקע אחיד ויציב. בשל רעילותו, יש לשלוט בקפידה בריכוזו ובתנאי ההפעלה.

המשוואות:

• חיזור (יוני נחושת):
  $$Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu$$
• חמצון (המחזר, בצורה סכמטית):
  $$R - O + 2e^{-} \rightarrow R - O + 2e^{-}$$

((\mathrm{R}) מייצג את המחזר, לדוגמה פורמלדהיד; האלקטרונים הנפלטים נצרכים בחיזור ה־Cu²⁺.)

שאלות נפוצות: Electroless Copper Plating

סיכום

ציפוי נחושת אלקטרולס הוא שלב מפתח במטאליזציית חורים ב־PCB. בשל הכימיה המורכבת וריבוי השלבים, נדרשת שליטה מדויקת בתהליך. הבנה מעמיקה ואופטימיזציה של כל שלב מאפשרות לשפר איכות, יעילות ולהפחית פגמים. עם התקדמות הטכנולוגיה, שיטות האלקטרולס ממשיכות להתפתח ולהיטמע, ומספקות לתעשיית האלקטרוניקה יותר אפשרויות ושיפורים.