电镀铜技术--2

1Date:10.29,2002Presentedby:唐治宇（P&D）2为电镀铜工程师提供一份基础教材；集中电镀铜工艺难点，使之得到更多成员经验，以便解决问题；提高电镀铜工程师的整体技术水平。3一、制作流程：---------------------------------------------4二、工艺原理：---------------------------------------------5三、物料：---------------------------------------------------6四、操作条件：--------------------------------------------18五、机器设备：--------------------------------------------23六、制程控制及接受标准：-----------------------------31七、能力研究：--------------------------------------------33八、案例及缺陷分析：-----------------------------------494内层制作→钻孔→除胶渣→沉铜→全板电镀→图形转移→图形电镀→褪膜、蚀刻、褪锡→绿油→表面处理一、制作流程5镀铜在PCB制造过程中，主要用于加厚孔内化学铜层和线路铜层。阴极：Cu2++2e→Cu°Cu2+/Cu=+0.34VCu2++e→Cu+Cu++e→Cu°Cu+/Cu=+0.51V阳极：Cu-2e→Cu2+Cu-e→Cu+2Cu+→Cu2++Cu2Cu++1/2O2+2H+→Cu2++H2O二、工艺原理6磷铜阳极：镀液中Cu2+的来源。硫酸铜：镀液主盐。硫酸：增加镀液导电性。氯离子：活化阳极并协同添加剂改良镀层品质。添加剂：改良镀层品质。三、电镀物料7磷铜阳极铜阳极中为什么要含磷？阳极反应机理：阳极反应：Cu-e→Cu+（快反应）Cu+-e→Cu2+（慢反应）上述反应原因表明：阳极溶解过程中伴随有Cu+生成，且Cu+存在下述反应：2Cu+→Cu2++Cu8磷铜阳极Cu+的危害：2Cu++H2SO4→Cu2SO4Cu2SO4+H2O→Cu2O（铜粉）+H2SO4*Cu2O以电泳方式沉积在阴极表面；*Cu2O分布在阴极表面，Cu2+在其疏松晶体表面沉积，造成镀层不光亮、整平性差。9磷铜阳极Cu+的防止与处理方法：采用磷铜阳极。磷铜阳极拖缸后，1Ah/L可在表面产生一层磷膜(主要成份为Cu3P)。Cu3P的作用：1）催化下述反应Cu+-e→Cu2+，减少Cu+的含量；2）阻止Cu+进入溶液，促使它进一步形成Cu2+；3）减少微小铜晶体从阳极表面脱落。10磷铜阳极铜阳极中含量应该是多少呢？含磷量高的影响：黑色磷膜过厚，铜的溶解性差，添加剂消耗多，磷膜易脱落；电阻增加，电压升高，有利H+放电，容易形成针孔。11磷铜阳极含磷量适中（0.035%~0.070%）：黑色磷膜较适中，且结构紧密，结合牢，不易脱落；阳极泥较少。含磷量太低（0.005%）时，虽有黑膜生成，但太薄，效果不理想。12硫酸铜/硫酸电镀液中的主盐，提供阳极反应时的Cu2+，并通过阳极溶解获得Cu2+的补充。硫酸铜的浓度过低，易导致高电流区烧焦，电镀时可采用的电流密度须减小；硫酸铜的浓度过高，镀液分散能力下降；硫酸的浓度过低，溶液导电性差，镀液分散能力差；硫酸的浓度过高，降低Cu2+的迁移率，效率降低，镀层延展性下降。13氯离子阳极活化剂，帮助阳极正常溶解。协同添加剂使镀层光亮、平整；降低镀层的应力；氯离子浓度太低，镀层出现台阶状粗糙，易出现针孔和烧焦；氯离子浓度太高，阳极钝化，镀层失去光泽。14氯离子过高如何处理沉淀法：Ag2CO3+2Cl-+2H+→2AgCl↓+H2O+CO2↑先分析Cl-浓度，按3gAg2CO3：1gCl-添加，然后用1um过滤芯除去AgCl沉淀。电解法：以钛为阳极，以瓦楞形不锈钢板为阴极，40~50℃下，阳极电流3~4A/dm2电解，2Cl--2e→Cl2↑。15添加剂添加剂一般分为光泽剂与辅助剂。辅助剂一般抑制铜沉积速率，增加极化电阻，提高分布均匀性；光泽剂则加速铜沉积速率，减少极化电阻，提高延展性与导电性。*光泽：当金属晶体均匀致密，规则排列时，所反射出的光线具有金属的光泽。16添加剂光泽剂过低的影响：镀层不光亮，易出现烧板现象。光泽剂过高的影响：深镀能力下降，产生Fold缺陷，表面变光亮。副产物的生产机理：RS-SR′（光剂）→RSH+R′SH（副产物）副产物具有更强的光剂特性，其在电镀过程中逐渐积累，产生较大的负面影响。Cu+17添加剂光泽剂副产物过高的影响：产生Folds缺陷，深镀能力下降，出现狗骨现象。镀层表面变光亮，硬度增加，镀层变脆，可靠性下降。副产物的除去方法：通过碳处理，先用H2O2将副产物氧化，再用活性碳将其吸附后过滤除去。18较为通用的药水浓度控制范围：CuSO460~120g/LH2SO490~140ml/LCl-40~100ppm添加剂适量（按供应商要求）阳极含0.035~0.07%磷的铜球/铜条上述参数亦需依不同供应商光剂系列作适当调整。四、操作条件19其他操作条件：温度与添加剂相适应搅拌连续过滤，空气搅拌加阴极移动。S阳:S阴2:1或更高阴极电流密度1~3A/dm2（与缸体设计、介质浓度及添加剂的选择有关）操作条件（续）20操作条件的影响温度：提高温度，电极反应速度加快，允许电流密度提高。温度过高，加速添加剂分解，镀层结晶粗糙，亮度降低。温度太低，允许电流密度降低，高电流区易烧焦。21操作条件的影响电流密度：电镀液组成，添加剂、温度、搅拌等因素确定电流密度允许范围。提高电流密度可以提高沉积速度，保证镀层质量条件下应尽量提高电流密度，以提高生产效率。镀层厚度（25um）≈17.8ASF·h（效率以100%计）电流密度过高时，会使镀层结晶粗大，甚至烧焦。22操作条件的影响搅拌：消除浓差极化，提高允许电流密度，提高生产效率。通常采用空气搅拌加摇摆（阴极移动）来实现。目前尚有采用Eductor或液下喷射等方法。23电镀铜的主要设备为：（以龙门式垂直挂镀线为例）镀槽：包含阳极杆、阳极钛篮、阴极铜座、摇摆、阳极挡板、阴极浮夹、空气搅拌管道、循环管道。整流机：包含整流机到镀槽导线，控制电路。辅助设备：循环过滤系统，包含循环泵浦、过滤桶、连接管道、自动添加系统、冷却系统、温度控制系统。五、机器设备24设备对电镀铜品质影响镀槽：阴阳极距离：通常为10~12″，距离较远时对电镀分散能力较好，但所占空间及药品开缸用量较大。阳极挡板/阴极浮夹：需设计出合适尺寸，改善电镀均匀性。搅拌：搅拌方式通常有摇摆、振动、空气搅拌、喷射系统、Eductor、超声波等，搅拌的主要目的是提供药水的快速交换，减小浓差极化，提高分散能力，搅拌的强度当然是愈强愈好，但其所付出的成本自然是越高。25搅拌方式的介绍传统方法：垂直板面或斜向15~45°，1″~3″摆幅，总摆幅据孔内铜离子交换来计算，通常采用1m/min，配合空气搅拌有时会加上振荡或超声波振荡。26搅拌方式的介绍改进方法：采用喷射系统（如GZPhaseIV），利用高压泵浦在缸内靠近板面位置（距离约为2″），以1~2kg/cm2压力喷出镀液，搅动镀液，同时配合沿板面方向摇摆，使喷射均匀。此法对于电镀厚板及盲孔很有帮助；采用Eductor，此法是在缸底加装喇叭形喷咀，利用喷射的镀液带动缸内镀液，流量约增加3~4倍，可使搅拌强度成倍增加。27整流机提供电镀的电源一般有两种整流机：传统的直流整流机；周期反向脉冲整流机。此种整流机配合专用添加剂可大大改善电镀的分散能力。28脉冲整流机脉冲波形：IF:IR一般1:1.5~1:3TF:TR一般10:0.5~40:2ms反向脉冲可使高电流区域更快溶解而低电流密度区域不受影响，从而使孔内镀层分布均匀，深镀能力提高。TFTRIRIFTI波形示意图29脉冲整流机脉冲电镀应用时应注意的问题：脉冲整流机比较娇贵，需注意日常保养，各接触点清洁，整流机内部温度控制，以便获得良好、稳定波形；脉冲电镀需配合以特种添加剂，对不同系列添加剂有不同注意事项；不同的脉冲波形对通孔、盲孔电镀深镀能力不同；有时深镀能力过高时会产生孔角铜薄等缺陷。30脉冲整流机以ShideyPPR系列为例：电镀/停机状态下，该光剂均与铜阳极产生分解副反应。该副反应严重影响镀层可靠性，需通过与空气中的氧气发生反应后，以活性碳过滤除去。31镀液组分测试：硫酸、硫酸铜、氯离子分析方法参见实验室工作指示。添加剂一般采用CVS分析或哈氏槽法（IPC-TM-650.2.3.21），不同系列添加剂由供应商提供相关应用程序。六、测试方法32镀层品质测试项目：镀层均匀性；深镀能力（分散能力）；镀层延展性（IPC-TM-650、2、4、18.1）；镀层可靠性；Soldershock（IPC-TM-650.2.6.8D、冷热循环冲击（参见Lab工作指示）、热油测试（IPC-TM-650.2.4.6）。抗拉强度。测试方法（续）33在电镀铜中研究的主要课题是：镀层均匀性：深镀能力（ThrowingPower）：镀层可靠性：以下介绍镀层均匀性及深镀能力。讨论：如何提高镀层可靠性？七、能力研究34镀层均匀性影响镀层均匀性主要有如下因素：阳极板去度应比阴极短约2~3″，防止电镀窗底部镀层过厚；阳极上部应增加适当高度阳极挡板，防止电镀窗顶部镀层过厚；阳极排布要均匀分布，镀槽两边比阴极应略缩进，防止边缘过厚；阴极底部应装有合适尺寸之浮夹，当生产不同尺寸之板时遮挡底部电流，防止局部过厚；阴极夹应均匀排布，接触良好。35深镀能力影响深镀能力的因素：质量传递；电势差；浓度超电势；镀液极化。36硫酸铜含量越高，镀液粘度越大。CuSO4·5H2O(g/L)20406080100H2SO4(g/L)220220220220220μ(CP)1.1361.2151.2311.2821.344深镀能力质量传递：镀液粘度，粘度越大，流动性越小，孔内质量交换能力越差；不同硫酸铜含量的镀液粘度：37深镀能力孔内流动状态分布：管进口段沿截面的流速分布：38管两端压力差与流速关系：ΔPN/m26×1031×1030.21.01.8u(m/s)L=2cmd=0.5mmΔPN/m26×1031×1030.21.01.8u(m/s)L=6cmL=3cmL=1.5cm流速u，管两端压力差ΔP管长度增加流速迅速减小深镀能力39浓度超电势（ηm）：定义：电极表面附近溶液反应物浓度与主体溶液中反应物浓度差引起。Ηm=（RT/Nf）Ln（Cs/Cb）深镀能力40电极表面附近铜离子浓度分布：Cs—电极表面铜离子浓度。Cb—本体溶液浓度。Δ—扩散层厚度。CbXCCs电板Oδ深镀能力41工作电流密度与极限电流密度：i=nFDiL=nFDD—铜离子扩散系数（cm2/s）Cb-CsδCbδ深镀能力42浓度超电势的上升使反应速率减慢：搅拌可降低扩散层厚度，降低板面的浓度超电势，但孔内的浓度超电势并没有得到下降；降低孔内的浓度超电势主要通过增加阴极移动距离及频率，使孔内镀液流动加强。深镀能力43电势差：电流通过镀液时产生电势差；电势差的影响因素：a.难度因子L2/d：L2/d与电势差成正比。深镀能力44b.镀液的电导率：增大镀液的电导率可以降低电势差；硫酸与电导率的关系硫酸铜与电导率的关系K(Ω·cm2)0.90.70100180H2SO40.5280K(Ω·cm2)0.750.650100180CuSO40.55280深镀能力45c.工作电流密度：工作电流增大时，电势差增大；当工作电流降到0.5A/dm2时，电势差已几乎可以忽略；降低电流密度可提高深镀能