化学沉铜工艺知识讲解

化学沉铜工艺知识陈克健2014-11-02第2页目录一、目的二、工艺流程三、工艺流程简介四、质量问题处理五、case分析第3页一、沉铜的目的沉铜，又称孔金属化（PTH)，使双面或多层印制板层间导线的联通，它是利用化学沉积的方法在钻孔后的孔壁上沉上一层薄薄的化学铜，为后续的电镀铜提供导电性。BeforePTHAfterPTHAfterPlating第4页二、工艺流程CIRCUPOSIT253沉铜MLB211膨松Neutralizer216中和Conditioner233调整GenericMicroetch微蚀CATAPREP404预浸CATAPOSIT44活化Acc19加速Conditioner1175除油Promoter214除胶渣Desmear除胶渣ElectrolessCopper化学沉铜使孔壁上的胶渣软化、膨松.溶解孔壁少量树脂及粘附孔壁内的胶渣。将除胶渣后残留的高锰酸钾盐除去.除掉铜表面轻微的手印、油渍、氧化等使孔壁呈正电荷后，提高孔壁对钯的吸附防止板子带杂质、水分进入昂贵的活化槽使胶体钯微粒均匀吸附到板面和孔壁上剥去胶体钯微粒外层的Sn+4外壳,露出钯核,形成孔化时的反应中心。以露出的钯核为反应中心,沉积上微细颗粒化学铜层,实现孔壁金属粗化铜箔表面,增强铜面与孔化之间的结合Deburr去毛刺等离子处理磨板plamsa特殊板材的除胶渣、表面活化.去除孔口披风、清洗孔内粉尘第5页三、工艺流程简介-Deburr1去毛刺简介1.1目的去除孔口毛刺，清洁孔内残余的钻屑及粉尘，去除铜面氧化。1.2基本流程酸洗水磨（针辘磨板）超声波水洗高压水洗酸洗：去除铜面的氧化。热风吹干：将板面吹干。（+水洗）（+水洗）水磨（针辘磨板）：使用水加针辘磨刷来去除孔口毛刺高压水洗：清洁孔内钻屑、粉尘。热风吹干超声波水洗：清洁孔内钻屑、粉尘，主要针对小孔或厚板。第6页三、工艺流程简介-Plasma2等离子处理简介2.1等离子体技术在pcb制造过程中的应用2.1.1PTFE、PI材料的表面改性（亲水性）表面改性包括两方面的作用：1材料表面物理改性，主要通过等离子的蚀刻作用使材料表面粗糙，而粗糙的表面具有比光滑的表面大得多的比表面积。2材料表面的化学改性，通过等离子体的蚀刻作用使材料表面的化学建发生断裂，再通过化学交联反应，再断键的部位接枝上亲水基团（主要包括－NH2,-HO）使材料具有亲水性。整个过程其实包括两个方面的改性，即表面物理结构改性和表面化学特性改性。第7页三、工艺流程简介-Plasma2.1.2去钻污（针对特殊板材）去钻污主要针对的是Desmear难以去除的板材类型，包括含碳氢化合物板材、H-Tg板材等。从图可以清晰的看出，等离子处理后的板材可以做出三面包夹的效果，更好的增强了可靠性。2.1.3电镀夹膜的处理2.1.4去除激光钻孔后的碳膜第8页三、工艺流程简介-Plasma2.2等离子设备2.2.1等离子设备简图典型的等离子设备包括：真空室、电极、射频发生器、真空泵。其它辅助设备还包括：冰水机等。如右图。2.2.2参数控制在等离子体处理，如下工艺参数合理选择起了很重要的作用：气体种类和混合比例；功率；加工时间；工作室真空压力；气体流量；温度。2.2.3检测项目检测项目标准/方法均匀性测试EtchingUniformity≧75%10*10mm2测试片(FR-4)48pnl秤重法测咬蚀均匀性，EtchingUniformity≧75%，计算方法：（1-极差/2/平均值）*100%活化效果测试达因笔测试，≥40达因除胶量测试秤重法测试，FR-4、碳氢化合物除胶量0.4～1.2mg/cm2；PTFE除胶量0.1～0.4mg/cm2第9页三、工艺流程简介-Desmear3除胶渣工艺3.1胶渣的由来钻孔时，玻璃环氧树脂与钻嘴，在高速旋转剧烈磨擦的过程中，局部温度上升至200oC以上，超过树脂的Tg值（130oC左右）。致使树脂被软化熔化成为胶糊状而涂满孔壁；冷却后便成了胶渣（Smear).3.2胶渣的危害1.对多层板而言，内层导通是靠平环与孔壁连接的，钻污的存在会阻止这种连接。出现“互连分离”或“孔壁分离”质量问题。2.对双面板而言，虽不存在内层连接问题，但孔壁铜层若建立在不坚固的胶渣上，在热冲击或机械冲击情况下，易出现拉离问题。第10页三、工艺流程简介-Desmear3除胶渣工艺3.3除胶渣方法介绍方法PlasmaDesmear图片优劣势优势：对特殊板材（碳氢化合物、纯胶）的处理效果较好。劣势：效率低，前期投入大。优势：能蚀刻环氧树脂表面使其产生细小凹凸不平呈蜂窝状的小坑，提高孔壁铜的结合力。备注行业普及第11页三、工艺流程简介-Desmear3.3.1MLB膨松剂211使孔壁上的胶渣得以软化，膨松并渗入树脂聚合后之交联处，从而降低其键结的能量，使易于进行树脂的溶解。第12页三、工艺流程简介-Desmear3.3.2MLB除钻污剂214（主要成分高锰酸钾+液碱）作用：高锰酸钾具有强氧化性，在高温及强碱的条件下，与树脂发生化学反应使其分解溶去。反应原理：4MnO4-+有机树脂+4OH-4MnO42-+CO2+2H2O附产物的生成：KMnO4+OH-K2MnO4+H2O+O2K2MnO4+H2OMnO2+KOH+O2MnO2是一种不溶性的泥渣状沉淀物。附产物的再生：由于工作液中存在MnO2,将严重影响槽液的寿命，并影响除胶渣的质量，故必须抑制其浓度，一般控制在低于25g/L的浓度工作。维持低浓度锰酸根最有效的办法是氧化再生成有用的高锰酸根离子。第13页三、工艺流程简介-Desmear再生电极：结构截面示意图电解再生器外观图再生原理第14页三、工艺流程简介-Desmear3.3.3MLB中和剂216（酸性强还原剂）作用：能将残存在板面或孔壁死角处的二氧化锰或高锰酸盐中和除去；第15页三、工艺流程简介-沉铜工艺4.沉铜工艺4.1流程4.2设备要求第16页三、工艺流程简介-沉铜工艺4.3各药水槽功能简介4.3.1清洁剂1175（碱性除油）作用：能有效地除去线路板表面及孔壁轻微氧化物及轻微污渍(如手指印等).如果孔壁和铜箔表面有油污，会影响化学镀铜层的结合力，甚至沉积不上铜。所以必须要进行清洁处理。工艺参数控制:第17页三、工艺流程简介-沉铜工艺工艺参数控制:4.3.2调整剂（233）处理作用：调整孔壁表面的静电荷，通常钻孔后的板，孔壁带负电荷，不利于随后吸附带负电荷的胶体钯催化剂。实际上调整剂是在清洁剂的基础上中添加阳离子型的表面活性剂。调整剂的控制直接影响沉铜的背光效果.第18页三、工艺流程简介-沉铜工艺4.3各药水槽功能简介4.3.3微蚀剂（过硫酸纳系列）作用：除去板子铜面上的氧化物及其它杂质。粗化铜表面，增强铜面与电解铜的齿结能力微蚀前微蚀后微蚀后铜面状况反应式：Cu+S2O82-Cu2++2SO42-第19页三、工艺流程简介-沉铜工艺微蚀中可能出现的问题：微蚀不足：微蚀不足将导致基铜与铜镀层附着力不良.微蚀过度：微蚀过度将导致在通孔出现反常形状(见图点A和点B).这种情况将导致化学铜的额外沉积并出现角裂（负凹蚀）。槽液污染：氯化物和有机物残渣的带入会降低蚀铜量.清洁--调整剂后需保证良好的清洗。工艺参数控制:注：各分析项目都是为了控制微蚀量第20页三、工艺流程简介-沉铜工艺4.3.4预浸（c/p404）处理作用：防止板子带杂质污物进入昂贵的钯槽。防止板面太多的水量带入钯槽而导致局部解。防止活化液的浓度和PH发生变化。预活化槽与活化槽除了无钯之外，其它完全一致。工艺参数控制:注：Cu离子含量偏高会带到活化槽，造成活化液的分解与沉淀比重是表征预浸液含量第21页三、工艺流程简介-沉铜工艺4.3.5活化cat44处理（胶体靶）作用：在绝缘基体上吸附一层具有催化能力的金属颗粒，使经过活化的基体表面具有催化还原金属的能力，从而使后续的化学镀铜反应在整个催化处理过的基体表面顺利进行。活化的控制直接影响沉铜的背光效果。胶体钯：钯液中的Pd，是以SnPd7Cl16胶团存在的。SnPd7Cl16的产生是PdCl2与SnCl2在酸性环境中经一系列的反应而最后产生的。活化后的孔壁：第22页三、工艺流程简介-沉铜工艺水的带入：胶体Pd由额外的氯离子和Sn2+维持稳定.如果有水的带入,将会导致胶体Pd的分解.活化液的比重通过404溶液控制.氧化:空气的氧化作用能导致胶体Pd的分解,因而要注意循环过滤系统不能出现漏气;不要使用溢流循环.;定时释放过滤器里的空气.工艺参数控制:注：没有鼓气，防止氧化；钯含量每月外发罗门哈斯分析一次，要求90-110ppm活化槽容易出现的问题：第23页三、工艺流程简介-沉铜工艺4.3.6加速acc19处理(氟硼酸HFB4系列)作用：剥去Pd外层的Sn+4外壳，露出Pd金属；清除松散不实的钯团或钯离子、原子等。加速槽的控制影响沉铜的背光效果，处理不足或过度均会造成背光不良。反应式：工艺参数控制:第24页三、工艺流程简介-沉铜工艺4.3.7沉铜（253系列）药水简介作用：为了使孔壁的树脂以及玻璃纤维表面沉上一层铜，为后续的电镀加厚铜提供导电性。分类（按沉积厚度）：.薄铜：10~20u“(0.25~0.5um)（我司采用）中速铜：40~60u(1~1.5um)厚化铜：80~100u(2~2.5um)组成成分（253系列）：铜盐：硫酸铜；还原剂：甲醛；PH值调节剂：氢氧化钠；甲醛在强碱条件下才能具有还原性。络合剂：EDTA(乙二胺四乙酸二钠)；保证铜离子不会在碱性条件下沉淀，呈离子态。稳定剂：保证化学铜溶液不会自然分解。第25页三、工艺流程简介-沉铜工艺反应式：1）主反应：产生反应的基本条件：a)甲醛的还原能力取决于溶液中的碱性强弱程度；b）在强碱条件下要保证铜离子不会沉淀，需要加足够的络合剂（因络合剂在反应过程中并不消耗，所以反应式中省略了络合剂）c）从反应式可以看出，每沉积1M的铜要消耗2M的甲醛，4M氢化钠。要保持化学镀铜速率恒定和化学镀铜层的质量，必须及时补加相应消耗的部分。（使用自动添加器）d）只有在催化剂pd的存在条件下才能沉积出金属铜，新沉积的金属铜本身就是一种催化剂，所以在活化处理过的表面，一旦发生化学镀铜反应，此反应可以在新生的铜面上继续进行。利用这一特性可以沉积出任意厚度的铜。pd第26页三、工艺流程简介-沉铜工艺2）副反应：加有甲醛的化学镀铜液，不管使用与否，都会产生以下两个副反应：a)产生Cu2O，进而会形成铜颗粒。要抑制反应2的产生，避免产生铜颗粒，就需要不断在沉铜溶液中通入氧气（鼓气）b）甲醛和NaOH之间的化学反应，称为康尼查罗反应。化学铜溶液中一旦加入甲醛，上述反应即开始了。不管是属于使用状态还是静置状态，都会一直在反应。所以化学铜溶液停止后重新启用时，需重新调整PH值，补加甲醛。12第27页三、工艺流程简介-沉铜工艺工艺参数控制:注：上述分析项目均影响化学沉铜沉积速率。其中浓度控制采用的是自动添加系统、自动添加系统、第28页三、工艺流程简介-沉铜工艺4.3.8化学沉铜品质检定方法及标准背光试验1.定期抽取样本，切取试验孔。2.用钻石刀把样本切割在孔的中线。3.然后放在光源上，再用放大镜检查。4.检定标准为8级或以上。光源放大镜第29页四、质量问题处理问题原因背光不稳定、孔壁无铜化学铜槽药水失调或工艺条件失控调整剂缺少或失效活化剂组分或温度低加速过强板材不同,PTFE板材易出现钻孔时孔壁内层断裂或剥离、粉尘堵孔孔内气泡，振动或摇摆不足。除钻污过度，造成树脂成海绵状，引起水洗不良或镀层脱落空挂篮、负载过小，药水活性下降薄板、软板与厚板搭配制作叠板特殊板材（含PTFE）漏做Plasma负载不足薄板叠板第30页四、质量问题处理问题原因ICD钻孔参数不合理，钻孔效果差Sweller、Desmear段药水浓度异常Plasma除胶均匀性不良沉铜速率过速，铜结晶结合力较差Sweller、Desmear挥发液位补充不及时，液位低互连分离第31页四、质量问题处理问题原因负凹蚀（NegativeEtchback）天