电镀铜工艺-专业介绍

电镀铜工艺专业介绍电镀铜工艺铜的特性–铜,元素符号Cu,原子量63.5,密度8.89克/立方厘米,Cu2+的电化当量1.186克/安时.–铜具有良好的导电性和良好的机械性能.–铜容易活化,能够与其他金属镀层形成良好的金属--金属间键合,从而获得镀层间的良好结合力.电镀铜工艺的功能电镀铜工艺–在化学沉铜层上通过电解方法沉积金属铜,以提供足够的导电性/厚度及防止导电电路出现发热和机械缺陷.电镀铜工艺的功能电镀铜层的作用–作为孔的化学沉铜层的加厚层,通过全板镀铜达到厚度5-8微米,称为加厚铜.–作为图形电镀锡或镍的底层,其厚度可达20-25微米,称为图形镀铜.（1）鍍層均勻、細致、平整、無麻點、無針孔，有良好外觀的光亮或半光亮鍍層。（2）鍍層厚度均勻，板面鍍層厚度與孔壁鍍層厚度之比接近1：1。（3）鍍層與銅基體結合牢固，在鍍後和後續工序的加工過程中，不會出現起泡、起皮等現象。（4）鍍層導電性好（5）鍍層柔軟性好，延伸率不低于10%，抗張強度20-50Kg/mm2,以保證在後工序波峰焊和熱風整平時，不至于固環氧樹脂基材上銅鍍層的膨脹系數不同導致鍍銅層産生縱向斷裂（環氧樹脂膨脹系數12.810-5/℃,銅的膨脹系數0.6810-5/℃)对铜镀层的基本要求（1）有良好的分散能力和深鍍能力，即使在很低的電流密度下，也能得到均勻細致的鍍層，以保證在印制板的板厚孔徑比較大時，仍能達Ts:Th接近1：1。（2）電流密度範圍寬，如在赫爾槽2A下，全板鍍層均勻一致。（3）鍍液穩定，便于維護，對雜質的容忍性高，對溫度的容忍性高。（4）鍍液對覆銅箔板無傷害对镀铜液的基本要求电镀铜的原理电镀液组成(H2O+CuSO4.5H2O+H2SO4+Cl-+添加剂)+-离子交换直流整流器ne-ne-电镀上铜层阴极(受镀物件)镀槽阳极CuCu2++2e-Cu2++2e-Cu硫酸鹽酸性鍍銅的機理電極反應標准電極電位陰極：Cu2++2eCu。Cu2+/Cu=+0.34V副反應Cu2++eCu＋。Cu2+/Cu＋=+0.15VCu++eCu。Cu+/Cu=+0.51V陽極：Cu-2eCu2+Cu-eCu+2Cu++1/2O2+2H+2Cu2++H2O2Cu++2H2O2CuOH+2H+2Cu+Cu2++CuCu2O+H2O副反應酸性鍍銅液各成分及特性簡介酸性鍍銅液成分—硫酸銅（CuSO4.5H2O)—硫酸(H2SO4)—氯離子（Cl-)—添加劑酸性鍍銅液各成分功能—CuSO4.5H2O：主要作用是提供電鍍所需Cu2＋及提高導電能力—H2SO4：主要作用是提高鍍液導電性能，提高通孔電鍍的均勻性。—Cl-：主要作用是幫助陽極溶解，協助改善銅的析出，結晶。—添加劑：主要作用是改善均鍍和深鍍性能，改善鍍層結晶細密性。酸性鍍銅液中各成分含量對電鍍效果的影響—CuSO4.5H2O：濃度太低，高電流區鍍層易燒焦；濃度太高，鍍液分散能力會降低。—H2SO4：濃度太低，溶液導電性差，鍍液分散能力差。濃度太高，降低Cu2+的遷移率，電流效率反而降低，並對銅鍍層的延伸率不利。—Cl-：濃度太低，鍍層出現台階狀的粗糙鍍層，易出現針孔和燒焦；濃度太高，導致陽極鈍化，鍍層失去光澤。—添加劑：（後面專題介紹）操作條件對酸性鍍銅效果的影響溫度—溫度升高，電極反應速度加快，允許電流密度提高，鍍層沉積速度加快，但加速添加劑分解會增加添加劑消耗，鍍層結晶粗糙，亮度降低。—溫度降低，允許電流密度降低。高電流區容易燒焦。防止鍍液升溫過高方法：鍍液負荷不大于0.2A/L，選擇導電性能優良的挂具，減少電能損耗。配合冷水機，控制鍍液溫度。電流密度—提高電流密度，可以提高鍍層沉積速率，但應注意其鍍層厚度分布變差。攪拌—陰極移動：陰極移動是通過陰極杆的往複運動來實現工件的移動。移動方向與陽極成一定角度。陰極移動振幅50－75mm，移動頻率10－15次/分振动与摆动振动与摆动的主要作用是降低diffusionlayer的厚度（增大表面张力），赶走孔内的气泡，加速孔内镀液的补充与更新，提升镀件品质。振幅200µm振频根据实际情况调节，一般振30s停20s摆幅5~6cm摆频10~12次/分—空氣攪拌無油壓縮空氣流量0.3-0.8m3/min.m2打氣管距槽底3－8cm，氣孔直徑2mm孔間距80－130mm。孔中心線與垂直方向成45o角。過濾PP濾芯、5－10m過濾精度、流量2－5次循環/小時陽極磷銅陽極、含磷0.04-0.065%為何不用電解銅或無氧銅作陽极???銅粉多，陽极泥多。鍍層易產生毛刺和粗糙。銅离子濃度逐漸升高，難以控制。添加劑消耗量大。陽极利用率低。磷銅陽极的特色通電后磷銅表面形成一層黑色(或棕黑)的薄膜黑色(或棕黑色)薄膜為Cu3P又稱磷銅陽极膜磷銅陽极膜的作用—陽极膜本身對(Cu+--e→Cu2+)反應有催化、加速作用，從而減少Cu+的積累。—陽极膜形成后能抑制Cu+的繼續產生—陽极膜的電導率為1.5X104-1cm-1具有金屬導電性—磷銅較純銅陽极化小(1A/dm2P0.04-0.065%磷銅的陽极化比無氧銅低50mv-80mv)不會導致陽极钝化。—陽极膜會使微小晶粒從陽級脫落的現象大大減少—陽极膜在一定程度上阻止了銅陽极的過快溶解磷銅陽极的特色当阳极电流密度0.4-1.5A/dm2时，阳极含磷量与黑膜生成量成线性关系，当含P0.035%-0.0.75%时，阳极铜的利用率最高，泥渣生成量最少。当P含量太低0.005%以下，虽有黑膜生成但是太薄，不足以保护铜阳极，当P含量太高时，黑膜太厚，阳极溶解不好，阳极泥渣多，镀液中铜浓度下降，添加剂消耗增加。圆形钛篮铜阳极表面积估算方法—dlf/2=3.14d=钛篮直径l=钛篮长度f=系数方形钛篮铜阳极表面积估算方法—1.33lwfl=钛篮长度w=钛篮宽度f=系数f与铜球直径有关:直径=12mmf=2.2直径=15mmf=2.0直径=25mmf=1.7直径=28mmf=1.6直径=38mmf=1.2电镀铜阳极表面积估算方法磷铜阳极材料要求规格主成份–Cu:99.9%min–P:0.04-0.065%杂质–Fe:0.003%max–S:0.003%max–Pb:0.002%max–Sb:0.002%max–Ni:0.002%max–As:0.001%max影響陽极溶解的因素：陽极面積(即陽极電流密度控制在0.5ASD-2.5ASD之間)陽极袋(聚丙烯)陽极及陽极袋的清洗方法和頻率阳极袋与阳极膜阳极袋1.阳极袋可用PP材质，使用之前要用稀硫酸浸泡一段时间。2.正常的阳极膜是黑色的，若呈棕色时表示阳极含磷不够，呈银灰色时表示槽液中含氯离子太多而生成了氯化铜。但这只是一般判断，尚须槽液分析辅助。3.阳极袋的功用在于防止阳极膜的碎屑、碎铜粒掉落槽中，更换频率约为半年一次，但只要发现有破损应立即更换添加剂对电镀铜工艺的影响载体-吸附到所有受镀表面,增加表面阻抗,从而改变分布不良情况.抑制沉积速率整平剂-选择性地吸附到受镀表面抑制沉积速率＊各添加剂相互制约地起作用.光亮剂-选择性地吸附到受镀表面,降低表面阻抗,从而恶化分布不良情况.提高沉积速率氯离子-增强添加剂的吸附电镀层的光亮度载体(c)/光亮剂(b)的机理载体(c)快速地吸附到所有受镀表面并均一地抑制电沉积光亮剂(b)吸附于低电流密度区并提高沉积速率.载体(c)和光亮剂(b)的交互作用导致产生均匀的表面光亮度bbbbbbbcbcbccccbcccbcccbcccbcccbcbcbb电镀的整平性能光亮剂(b),载体(c),整平剂(l)的机理载体抑制沉积而光亮剂加速沉积整平剂抑制凸出区域的沉积整平剂扩展了光亮剂的控制范围bcccccbccccccbccccbbbcccbccbbcbcbcbcbcbbcbcbcbbbbcbcbcbclbcccbccbllccblllcbbblccbcbb光亮剂和载体光亮剂/载体/整平剂的混合过量光亮剂电镀铜溶液–电镀铜溶液的电导率硫酸的浓度温度–硫酸铜浓度–添加剂–板厚度(L),孔径(d)搅拌:提高电流密度表面分布（均匀性）也受分散能力影响.电镀铜溶液的分散能力(ThrowingPower)电镀铜层的物理特性延展性–当镀层厚度为50μｍ而镀层延展性减少18-20%时,需要采用活性炭处理以除去杂质(有机分解物)抗张强度–通常３０～３５kg/mm2电镀铜溶液的控制–五水硫酸铜浓度（60-90g/L）–硫酸浓度（180-220g/L）–氯离子浓度（40-80ml/L）–槽液温度（20-30℃）–用CVS分析添加剂GT-100浓度–镀层的物理特性(延展性/抗张强度)分析项目上述项目须定期分析,并维持在最佳范围内生产电镀铜溶液的控制赫尔槽试验(HullCellTest)阴极-阳极+赫尔槽结构示意图1升容积267ml容积AB119mm47.6mmBC127mm101.7mmCD213mm127mmDA86mm63.5mmDE81mm63.5mmABCDEF电镀铜溶液的控制赫尔槽试验(HullCellTest)参数—电流:1-2A—时间:5分钟或者10分钟—搅拌:空气搅拌—温度:室温高電流部有针点，潤濕劑(表面活性劑)不足工作区（3-4cm）和高電流部发雾，光澤不足高電流部燒焦的寬度（小于1.5cm）較大，金屬成分不足高电流密度区呈条纹状沉积,整个试片光亮度降低,盐酸不足++++++++燒焦凹坑模糊電流密度高低圖7.2霍爾槽的板件例子电镀铜溶液的控制赫尔槽试验电镀铜溶液的控制延展性—用不锈钢片在镀槽或延展性测试槽镀上大于2mil铜片.—再以130oC把铜片烘2小时.—用延展性测试机进行测试.电镀铜溶液的控制热冲击测试—以120oC烘板4小时.—把板浸入288oC铅锡炉10秒.—以金相切片方法检查有否铜断裂.電鍍液維護電鍍液会發生成分變化(變質)的。爲了調整、恢複原狀，需要補充藥品。如果有雜質的沉積，就要除掉雜質(再生)，到了不能使用時就要全量或者部分報廢，更換新鍍液。鍍液的再生采用(1)活性碳處理；(2)弱電解(拖缸)處理等。補充藥品方法有(1)分析補充；(2)耗量補充（根据做板量自动添加）兩種。电镀铜溶液的控制PCB电镀铜工艺过程全板电镀工艺过程–注：一次铜制程前板面不脏的话可以不用酸性清洁上料酸性清洁剂双水洗浸酸电镀铜下料双水洗剥挂架双水洗上料各工序功能—酸性清潔劑除去表面污漬提高銅面親水性能—浸酸活化待電鍍銅表面并除去铜面氧化—電鍍銅提高孔內及線路銅层厚度，增加導電性能。—剝挂架剝除挂架上鍍上的銅全板电镀工艺过程鍍銅層的作用—作爲化學鍍銅的加厚鍍層和作爲圖形電鍍的底鍍層。—化學鍍銅層一般0.5µm－2µm，必須經過電鍍銅後才可進行下一步加工，加厚銅是全板電鍍，厚度一般在5－8µm。全板电镀工艺过程全板电镀工艺过程操作条件酸性清洁剂--210—:酸性清洁剂P20：4%-6%—温度:35oC(30-40oC)—处理时间:5分钟(4-6分钟)全板电镀工艺过程操作条件浸酸—硫酸(96%):5%-10%—温度:室温(20-40oC)—处理时间:1分钟(0.5-2分钟)全板电镀工艺过程操作条件电镀铜—五水硫酸铜:70g/l(60-90g/l)—硫酸:200g/L(180-220g/l)—氯离子:60ppm(40-80ppm)—镀铜添加剂GT-100:14ml/l(整平剂8-20ml/l；光泽剂0.1-0.8ml/l)—温度:25oC(20-30oC)—处理时间:15分钟以上(根据所需厚度及电流密度)电镀铜镀层厚度估算方法电镀铜镀层厚度估算方法(mil)=0.0087*电镀阴极电流密度(ASD)X电镀时间(分钟)1mil=25.4µmPCB电镀铜工艺过程图形电镀铜/锡工艺过程酸性除油水洗微蝕水洗浸酸鍍銅水洗鍍錫水洗烘干—酸性除油酸性清洁剂P20可除去残留在铜面的有机物和附着在涂料表面之碎片，除去輕度氧化及輕度污漬和手印。有助于均一的蚀刻及获得较