電鍍銅技術__2

1、1,電鍍銅技術,Date : 10.29, 2002Presented by : 唐治宇（P&D）,2,? 為電鍍銅工程師提供一份基礎教材；? 集中電鍍銅工藝難點，使之得到更多成員經(jīng)驗， 以便解決問題；? 提高電鍍銅工程師的整體技術水平。,目 的,3,? 一、制作流程：--------------------------------------------- 4 ? 二、工藝原理：----------

2、----------------------------------- 5? 三、物料：--------------------------------------------------- 6? 四、操作條件：-------------------------------------------- 18? 五、機器設備：-------------------------------------------- 23? 六、制程控

3、制及接受標準：----------------------------- 31? 七、能力研究：-------------------------------------------- 33? 八、案例及缺陷分析：----------------------------------- 49,內(nèi)容簡介,4,? 內(nèi)層制作 → 鉆孔 → 除膠渣 → 沉銅 → 全板電鍍 → 圖形轉移 →

4、 圖形電鍍 → 褪膜、蝕刻、褪錫 → 綠油→ 表面處理,一、制作流程,5,? 鍍銅在PCB制造過程中，主要用于加厚孔內(nèi)化學銅層和線路銅層。 ? 陰極： Cu2++2e→Cu ?°Cu2+/Cu=+0.34V Cu2++ e →Cu+ Cu++ e →Cu ?°Cu+/Cu=+0.51V

5、 ? 陽極： Cu-2e→Cu2+ Cu- e →Cu+ 2Cu+ →Cu2++Cu 2Cu++1/2O2+2H+ →Cu2++H2O,二、工 藝 原 理,6,? 磷銅陽極：鍍液中Cu2+的來源。? 硫酸銅：鍍液主鹽。? 硫酸：增加鍍液導電性。? 氯離子：活化陽極并協(xié)同添加劑改良鍍層品質。? 添加劑：改良鍍層品質。,三、電 鍍

6、 物 料,7,磷銅陽極,? 銅陽極中為什么要含磷？ ? 陽極反應機理： 陽極反應： Cu-e →Cu+（快反應） Cu+-e→Cu2+（慢反應） 上述反應原因表明：陽極溶解過程中伴隨有Cu+生成， 且Cu+存在下述反應： 2Cu+→Cu2++Cu,8,磷銅陽極,?

7、 Cu+的危害： 2Cu++H2SO4 →Cu2SO4 Cu2SO4+H2O→Cu2O（銅粉）+H2SO4 * Cu2O以電泳方式沉積在陰極表面； * Cu2O分布在陰極表面，Cu2+在其疏松晶體表面沉積，造成鍍層 不光亮、整平性差。,9,磷銅陽極,? Cu+的防止與處理方法： 采用磷銅陽極。 磷銅陽極拖缸后，1A h/L可在表面產(chǎn)生一層磷膜(主要成份為Cu

8、3P)。 Cu3P的作用： 1）催化下述反應Cu+-e→Cu2+，減少Cu+的含量； 2）阻止Cu+進入溶液，促使它進一步形成Cu2+； 3）減少微小銅晶體從陽極表面脫落。,10,磷銅陽極,? 銅陽極中含量應該是多少呢？ ? 含磷量高的影響： ? 黑色磷膜過厚，銅的溶解性差，添加劑消耗多，磷膜易脫落； ? 電阻增加，電壓升高，有利H+放電，容易形成針孔

9、。,11,磷銅陽極,? 含磷量適中（0.035%~0.070%）： ? 黑色磷膜較適中，且結構緊密，結合牢，不易脫落； ? 陽極泥較少。 含磷量太低（<0.005%）時，雖有黑膜生成，但太薄，效果 不理想。,12,硫酸銅/硫酸,? 電鍍液中的主鹽，提供陽極反應時的Cu2+，并通過陽極溶解獲得 Cu2+的補充。 ? 硫酸銅

10、的濃度過低，易導致高電流區(qū)燒焦，電鍍時可采用的電 流密度須減??； ? 硫酸銅的濃度過高，鍍液分散能力下降； ? 硫酸的濃度過低，溶液導電性差，鍍液分散能力差； ? 硫酸的濃度過高，降低Cu2+的遷移率，效率降低，鍍層延展性 下降。,13,氯離子,? 陽極活化劑，幫助陽極正常溶解。 ? 協(xié)同添加劑使鍍層光亮、平整； ? 降低鍍層的應力； ?

11、氯離子濃度太低，鍍層出現(xiàn)臺階狀粗糙，易出現(xiàn)針孔和燒焦； ? 氯離子濃度太高，陽極鈍化，鍍層失去光澤。,14,氯離子過高如何處理,? 沉淀法： Ag2CO3+2Cl-+2H+→2AgCl↓+H2O+CO2↑ 先分析Cl-濃度，按3g Ag2CO3：1g Cl-添加，然后用1um過濾 芯除去AgCl沉淀。? 電解法： 以鈦為陽極，以瓦楞形

12、不銹鋼板為陰極，40~50℃下，陽極 電流3~4A/dm2電解，2Cl--2e→Cl2↑。,15,添加劑,? 添加劑一般分為光澤劑與輔助劑。 ? 輔助劑一般抑制銅沉積速率，增加極化電阻，提高分布均勻性； ? 光澤劑則加速銅沉積速率，減少極化電阻，提高延展性與導電 性。 * 光澤：當金屬晶體均勻致密，規(guī)則排列時，所反射出的光線

13、 具有金屬的光澤。,16,添加劑,? 光澤劑過低的影響： 鍍層不光亮，易出現(xiàn)燒板現(xiàn)象。? 光澤劑過高的影響： 深鍍能力下降，產(chǎn)生Fold缺陷，表面變光亮。? 副產(chǎn)物的生產(chǎn)機理： RS-SR′（光劑）→ RSH+R′SH（副產(chǎn)物） 副產(chǎn)物具有更強的光劑特性，其在電鍍過程中逐漸積累，產(chǎn)生 較大的負面影響。,Cu+,17,添加劑,? 光澤劑副產(chǎn)物過高的影響： 產(chǎn)生Folds

14、缺陷，深鍍能力下降，出現(xiàn)狗骨現(xiàn)象。 鍍層表面變光亮，硬度增加，鍍層變脆，可靠性下降。? 副產(chǎn)物的除去方法： 通過碳處理，先用H2O2將副產(chǎn)物氧化，再用活性碳將其吸附 后過濾除去。,18,? 較為通用的藥水濃度控制范圍： CuSO4 60~120g/L H2SO4 90~140ml/L Cl-

15、 40~100ppm 添加劑 適量（按供應商要求） 陽極 含0.035~0.07%磷的銅球/銅條 上述參數(shù)亦需依不同供應商光劑系列作適當調整。,四、操 作 條 件,19,? 其他操作條件： 溫度 與添加劑相適應 攪拌 連續(xù)過濾，空氣攪拌

16、加陰極移動。 S陽:S陰 2:1或更高 陰極電流密度 1~3A/dm2 （與缸體設計、介質濃度及添加劑的選擇有關）,操 作 條 件（續(xù)）,20,操作條件的影響,? 溫度： 提高溫度，電極反應速度加快，允許電流密度提高。 溫度過高，加速添加劑分解，鍍層結晶

17、粗糙，亮度降低。 溫度太低，允許電流密度降低，高電流區(qū)易燒焦。,21,操作條件的影響,? 電流密度： 電鍍液組成，添加劑、溫度、攪拌等因素確定電流密度允許范圍。 提高電流密度可以提高沉積速度，保證鍍層質量條件下應盡量 提高電流密度，以提高生產(chǎn)效率。 鍍層厚度（25um）≈17.8ASF·h（效率以100%計） 電流密度過高時，會使鍍層結晶粗大，甚至燒焦。,22,操作條

18、件的影響,? 攪拌： 消除濃差極化，提高允許電流密度，提高生產(chǎn)效率。 通常采用空氣攪拌加搖擺（陰極移動）來實現(xiàn)。 目前尚有采用Eductor或液下噴射等方法。,23,? 電鍍銅的主要設備為：（以龍門式垂直掛鍍線為例） 鍍槽：包含陽極桿、陽極鈦籃、陰極銅座、搖擺、陽極擋板、 陰極浮夾、空氣攪拌管道、循環(huán)管道。 整流機：包含整流機到鍍槽導線，控制電路

19、。 輔助設備：循環(huán)過濾系統(tǒng)，包含循環(huán)泵浦、過濾桶、連接管道、 自動添加系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)。,五、機 器 設 備,24,設備對電鍍銅品質影響,? 鍍槽： 陰陽極距離：通常為10~12″，距離較遠時對電鍍分散能力 較好，但所占空間及藥品開缸用量較大。 陽極擋板/陰極浮夾：需設計出合適尺寸，改

20、善電鍍均勻性。 攪拌：攪拌方式通常有搖擺、振動、空氣攪拌、噴射系統(tǒng)、 Eductor、超聲波等，攪拌的主要目的是提供藥水的快 速交換，減小濃差極化，提高分散能力，攪拌的強度 當然是愈強愈好，但其所付出的成本自然是越高。,25,攪拌方式的介紹,? 傳統(tǒng)方法： 垂直板面或斜向15~45°，1″~

21、3″擺幅，總擺幅據(jù)孔內(nèi)銅 離子交換來計算，通常采用1m/min，配合空氣攪拌有時會加上 振蕩或超聲波振蕩。,26,攪拌方式的介紹,? 改進方法： ? 采用噴射系統(tǒng)（如GZ Phase IV），利用高壓泵浦在缸內(nèi)靠近板 面位置（距離約為2″），以1~2kg/cm2壓力噴出鍍液，攪動鍍液， 同時配合沿板面方向搖擺，使噴射均勻。此法對于電鍍厚板及盲 孔很有幫助；

22、 ? 采用Eductor，此法是在缸底加裝喇叭形噴咀，利用噴射的鍍液帶 動缸內(nèi)鍍液，流量約增加3~4倍，可使攪拌強度成倍增加。,27,整流機,? 提供電鍍的電源 一般有兩種整流機： ? 傳統(tǒng)的直流整流機； ? 周期反向脈沖整流機。 此種整流機配合專用添加劑可大大改善電鍍的分散能力。,28,脈沖整流機,? 脈沖波形： IF:IR 一般 1:1.5~1:3

23、 TF:TR一般 10:0.5~40:2ms 反向脈沖可使高電流區(qū)域 更快溶解而低電流密度區(qū)域不受影響，從而使孔內(nèi)鍍層分布均勻， 深鍍能力提高。,波形示意圖,29,脈沖整流機,? 脈沖電鍍應用時應注意的問題： ? 脈沖整流機比較嬌貴，需注意日常保養(yǎng)，各接觸點清潔， 整流機內(nèi)部溫度控制，以便獲得良好、穩(wěn)定波形； ? 脈沖電鍍需配合以特種添加劑，對不同系列添加劑有不

24、 同注意事項； ? 不同的脈沖波形對通孔、盲孔電鍍深鍍能力不同； ? 有時深鍍能力過高時會產(chǎn)生孔角銅薄等缺陷。,30,脈沖整流機,? 以Shidey PPR系列為例： 電鍍/停機狀態(tài)下，該光劑均與銅陽極產(chǎn)生分解副反應。 該副反應嚴重影響鍍層可靠性，需通過與空氣中的氧氣 發(fā)生反應后，以活性碳過濾除去。,31,? 鍍液組分測試： ? 硫酸、硫酸銅、氯離子分析方法參見實

25、驗室工作指示。 ? 添加劑一般采用CVS分析或哈氏槽法（IPC-TM-650.2. 3.21），不同系列添加劑由供應商提供相關應用程序。,六、測 試 方 法,32,? 鍍層品質測試項目： ? 鍍層均勻性； ? 深鍍能力（分散能力）； ? 鍍層延展性（IPC-TM-650、2、4、18.1）； ? 鍍層可靠性； Solder shock（IPC-TM-6

26、50.2.6.8D、冷熱循環(huán)沖擊（參 見Lab工作指示）、熱油測試（IPC-TM-650.2.4.6）。 ? 抗拉強度。,測 試 方 法（續(xù)）,33,? 在電鍍銅中研究的主要課題是： ? 鍍層均勻性： ? 深鍍能力（Throwing Power）： ? 鍍層可靠性： 以下介紹鍍層均勻性及深鍍能力。 討論：如何提高鍍層可靠性？,七、能 力 研 究,

27、34,鍍層均勻性,? 影響鍍層均勻性主要有如下因素： ? 陽極板去度應比陰極短約2~3″，防止電鍍窗底部鍍層過厚； ? 陽極上部應增加適當高度陽極擋板，防止電鍍窗頂部鍍層過厚； ? 陽極排布要均勻分布，鍍槽兩邊比陰極應略縮進，防止邊緣過厚； ? 陰極底部應裝有合適尺寸之浮夾，當生產(chǎn)不同尺寸之板時遮擋底 部電流，防止局部過厚； ? 陰極夾應均勻排布，接觸良好。,35,,深

28、鍍能力,? 影響深鍍能力的因素： ? 質量傳遞； ? 電勢差； ? 濃度超電勢； ? 鍍液極化。,36,硫酸銅含量越高，鍍液粘度越大。,深鍍能力,? 質量傳遞： ? 鍍液粘度，粘度越大，流動性越小，孔內(nèi)質量交換能力越差； ?不同硫酸銅含量的鍍液粘度：,37,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,深鍍能力,? 孔內(nèi)流動狀態(tài)分布： ? 管進

29、口段沿截面的流速分布：,38,? 管兩端壓力差與流速關系：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,ΔP,N/m2,6×103,1×103,0.2,1.0,1.8,u(m/s),,,L=2cmd=0.5mm,,,,,,,,,,,,,,,,,,,ΔP,N/m2,6×103,1×103,0.2,1.0,1.8,u(m/s),,,L=6cm,,,L=3cm,L=1.5cm,流速u，管兩端壓力差ΔP,,管長

30、度增加流速迅速減小,深鍍能力,39,? 濃度超電勢（ηm ）： ? 定義：電極表面附近溶液反應物濃度與主體溶液中反應物 濃度差引起。 Ηm=（RT/Nf）Ln（Cs/Cb）,深鍍能力,40,? 電極表面附近銅離子濃度分布：,Cs—電極表面銅離子濃度。Cb—本體溶液濃度。Δ—擴散層厚度。,,,,,,,,Cb,X,C,,,Cs,電板 O,

31、δ,深鍍能力,41,? 工作電流密度與極限電流密度： i=nFD iL=nFD D—銅離子擴散系數(shù)（cm2/s）,Cb-Cs,,δ,Cb,,δ,深鍍能力,42,? 濃度超電勢的上升使反應速率減慢： ? 攪拌可降低擴散層厚度，降低板面的濃度超電勢，但孔內(nèi) 的濃度超電勢并沒有得到下降； ? 降低孔內(nèi)的濃度超電勢主要通過增加陰極移動距離及頻率， 使孔內(nèi)鍍液流動加

32、強。,深鍍能力,43,? 電勢差： ? 電流通過鍍液時產(chǎn)生電勢差； ? 電勢差的影響因素： a. 難度因子L2/d：L2/d與電勢差成正比。,深鍍能力,44,b. 鍍液的電導率： ? 增大鍍液的電導率可以降低電勢差； 硫酸與電導率的關系 硫酸銅與電導率的關系,,,,,,,,,,,K (Ω·cm2),0.9,0.7,0,100,18

33、0,H2SO4,0.5,280,,,,,,,,,,,K (Ω·cm2),0.75,0.65,0,100,180,CuSO4,0.55,280,,,深鍍能力,45,c. 工作電流密度： ? 工作電流增大時，電勢差增大； ? 當工作電流降到0.5A/dm2時，電勢差已幾乎可以忽略； ? 降低電流密度可提高深鍍能力，但延長了電鍍時間，使生 產(chǎn)效率降低。,深鍍能力,46,? 鍍液極化：

34、 ? IS（表面電流）=V/（RS+RP） IH（孔內(nèi)電流）=V/（RH+RP） RP越大，IS與IH越接近，深鍍能力越好。 注：RS—表面電阻，RP—極化電阻，RH—孔內(nèi)電阻。,深鍍能力,47,? 硫酸銅的增加減小極化電阻；? Cl-增加可增加極化電阻；? 添加劑對極化的影響在于其在電極表面的吸附： a. 載運劑（Carrier）吸附在高電位區(qū)，減緩銅沉積速率；