石墨烯在印制板领域的应用

在长三角、珠三角，本人在相关PCB企业收集到的石墨烯在印制板领域的应用，有以下几个方面：

（1）石墨烯化学沉铜，彻底改变传统的化学镀铜工艺。

（2）石墨烯表面处理，改变现有的热风整平、OSP、化学沉镍/金等表面涂覆工艺。

（3）石墨烯导电油墨，与3D打印和喷涂工艺相结合，可能会彻底颠覆传统电路板制造工艺。

（4）石墨烯散热膜，替代金属基印制版的金属（铜、铝、铁）散热层。

上述应用，有企业或个人自主研发，自己制备石墨烯并开发在PCB领域上应用的；有企业同石墨烯制造单位联合作课题的；有作PCB化工原料企业同中科院研究所作产学研合作的。一批PCB人，不屈不挠，夜以继日，甘当傻子，查文献作试验，经历无数艰难困苦，寻求新材料之王—石墨烯在印制板领域上的应用。本人看到，纸上谈兵的阶段过去了，产业化突破的前期到来了。在PCB行业，石墨烯化学沉铜代替传统的化学化铜会成为第一批成功应用。下面就以石墨烯化学沉铜为例子作说明。

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印制板的石墨烯化学沉铜

4.1  传统的化学沉铜方法和问题

从上世纪50年代至今，传统的印制板化学沉铜方法大体有：胶体钯或离子钯法，孔内沉薄铜或厚铜，用龙门垂直式的沉铜设备；后来发展为水平式的化学沉铜；碳导电直接电镀；导电高分子聚合物直接电镀。

传统化学沉铜问题：存在甲醛，EDTA（乙二胺四乙酸二钠），污染环境；步骤多工序长，耗时间，费水费电；经常遇到孔内无铜，孔壁分离，沉铜层和基铜结合不良，孔内铜瘤等质量问题。

4.2  石墨烯化学沉铜

•各种基材如环氧、CEM、BT树脂、聚酰亚胺（PI）都可作石墨烯化学沉铜，既可作软板，亦可作硬板。石墨烯沉铜是依靠静电与分子力与基材结合的，而传统化学沉铜完全靠布朗运动和静电吸附的胶体活化处理完成的。

•经石墨烯化学沉铜后的板子可以长期保存。只要膜层表面干净，可有效保证后续加工的可靠性和品质，而传统化学沉铜层，易氧化，需24 h内完成电镀铜。

•石墨烯化学沉铜后，生产板可直接作图形电镀，也可进行板面电镀。生产工艺走正片制程或负片制程可自由选择。

•石墨烯沉铜，不存在甲醛，络合剂EDTA，酒石酸钾钠，环保，流程短，节水节电。

•石墨烯化学沉铜，软板整个流程8~10 min，硬板4~6 min。而传统化学沉铜需60 min以上。

•石墨烯化学沉铜，膜层厚度为几到几十纳米；而传统沉薄铜，铜层厚度0.2~0.6 μm；沉厚铜为1.2~2.0 μm。

4.3  石墨烯化学沉铜的膜层特性

•很薄的膜层，石墨烯厚度仅为几到十几个纳米。

•很好的结合力。石墨烯膜层是片状结构，片径在1微米左右，厚度几个纳米。前期靠静电吸附在孔壁，亦即范德华力吸附，这是一种纳米水平的微距力。在膜层与基底之间通过强有力的分子力键合，具有优良的结合强度。适合作高密度HDI高纵横比小孔径的印制板，亦适合作5G通信用的印制板。

•耐酸耐碱。经石墨烯化学沉铜处理的FR4基材，分别在10%NaOH液，10%H2SO4液，5%显影液（碳酸钠）浸泡处理，三个月后无明显脱落，变色。

•耐高温。经石墨烯处理的FR-4基材，在电磁炉上烘烤，温度300 ℃，20 min，环氧基材出现燃烧，纤维布暴露，而树脂上未脱离的石墨烯膜依然完好，经电镀依然可以上铜。

•抗氧化。在空气中可长久保存，不必担心膜层氧化失去效果。

•膜层电镀效果。在FR-4光板作石墨烯化学沉铜处理后，直接电镀铜，整个板面全部镀上铜的时间是10~20 min；而传统沉薄铜工艺需20~30 min，黑孔工艺70~80 min，传统沉厚铜工艺15~25 min。表明石墨烯工艺电镀上铜速度更快。

•石墨烯金属化孔的孔内铜层光滑，均匀，致密，无空洞，无黑孔。

•热冲击试验：288 ℃，10 s，三次，六次，九次，金相切片观察，孔壁铜层结合良好，无分层和断裂。

印制板的石墨烯化学沉铜工艺基于石墨烯本身的以上特性，得到的膜层非常薄、比表面积大、致密性好、导电性优、吸附性强。

刚性板和挠性板流程基本相同（如图1）。

整个流程时间:软板8~10 min，硬板4~6 min；石墨烯膜层厚度：厚度为几到几十纳米；石墨烯化学沉铜后，可直接作图形电镀，也可直接作板面电镀；石墨烯膜层抗氧化，耐酸碱，在空气中可长久保存；石墨烯沉铜缸在室温下操作。

确切地说，“石墨烯沉铜工艺”应改为“石墨烯沉膜工艺”，因为孔里沉上的是一层薄膜，导电的膜，不再是铜。这是传统化学沉铜与石墨烯化学沉铜的根本区别。图2为石墨烯化学沉膜+电镀铜后（孔金属化）的金相切片照片（双面板和4层板，板厚1.6 mm，孔径0.4 mm）（如图2）。

此微切片照片来自深圳赛姆烯金科技有限公司。该公司成立刚好一年，其领头人及其团队从2010年开始玩石墨烯，研发石墨烯9个年头了，从生产制备石墨烯到应用到印制板领域整条链条是自己完成的。经历无数的酸甜苦辣，艰难险阻，终于把石墨烯技术转换成大批量的生产线。目前，笔者看到，该公司已拥有两条石墨烯化学沉铜生产线，一条作软板，月产4万平方米；一条作硬板，月产6万平方米。另外两条生产线亦在制作中。高密度印制板，其孔径0.15 mm的石墨烯化学沉铜的微切片亦十分完美。

以下的两张图3、图4是深圳赛姆烯金公司提供给我的，是该公司用电子显微镜拍的自制的石墨烯结构照片，拉曼光谱照片显示石墨烯的产品质量，相当不错。

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小结

随着低成本、高性能、规模化应用技术的突破，石墨烯将掀起一场席卷全球的产业革命。目前石墨烯产业整体处于产业化突破前期。

在印制板行业，石墨烯化学沉膜工艺完全可以取代传统的化学沉铜工艺。石墨烯颠覆PCB工艺技术时代即将到来。预料，石墨烯会开创PCB制造的新时代，石墨烯孔金属化制程会改变传统化学镀铜！石墨烯表面处理技术会改变印制板表面处理工艺！与3D打印和喷涂工艺相结合的石墨