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1、1,电镀铜技术,2006.08.30,2, 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。,目 的,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：- 49,内容简介,4, 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+2eCu
2、 Cu2+/Cu=+0.34V Cu2+ e Cu+ Cu+ e Cu Cu+/Cu=+0.51V 阳极： Cu-2eCu2+ Cu- e Cu+ 2Cu+ Cu2+Cu 2Cu+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+-eCu2+（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
3、述反应： 2Cu+Cu2+Cu,8,磷铜阳极, Cu+的危害： 2Cu+H2SO4 Cu2SO4 Cu2SO4+H2OCu2O（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，1A h/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+-eCu2+，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
4、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
5、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3g Ag2CO3：1g Cl-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，4050下，阳极 电流34A/dm2电解，2Cl-2eCl2。,15,添加剂, 添加剂一般分为光泽剂与辅助剂
6、。 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+RSH（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
7、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： CuSO4 60120g/L H2SO4 90140ml/L Cl- 40100ppm 添加剂 适量（按供应商要求） 阳极 含0.0350.07%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 13A/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
8、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）17.8ASFh（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Educto
9、r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1012，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
10、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1545，13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GZ Phase IV），利用高压泵浦在缸内靠近板 面位置（距离约为2），以12kg/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
11、内镀液，流量约增加34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 1:1.51:3 TF:TR一般 10:0.540:2ms 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。,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
12、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Shipley PPR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（I
13、PC-TM-650、2、4、18.1）； 镀层可靠性； Solder shock（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（Throwing Power）： 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23，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
14、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。,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：,P,N/m2,6103,1103,0.2,1.0,1.8,u(m/s),L=2cm d=0.5mm,P,N/m2,6103,1103,0.2,1.0,1.8,u(m/s),L=6cm,L=3cm,L=1.5
