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1、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 Before PTHAfter PTHAfter Plating 第 4 页 二 工艺流程 CIRCUPOSIT 253沉铜 MLB 211膨松 Neutralizer 216 中和 Conditioner233调整 Generic Microetch微蚀 CATAPREP
2、 404预浸 CATAPOSIT 44活化 Acc19加速 Conditioner1175除油 Promoter 214除胶渣 Desmear 除胶渣 Electroless Copper 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
3、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 Deburr 1 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 Plasma 2 等离子处理简介 2 1 等离子体技术在
4、pcb制造过程中的应用 2 1 1 PTFE 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 Plasma 2 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
5、 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 Plasma 2 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Etching Uniformity 75 10
6、10mm2测试片 FR 4 48pnl秤重法测咬蚀均匀性 Etching Uniformity 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 Desmear 3 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200 oC以上 超过树脂的Tg值 130 oC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
7、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 Desmear 3 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 Desmear 3 3 1
8、 MLB MLB 膨松剂膨松剂 211 211 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 Desmear 3 3 2 MLB MLB 除钻污剂除钻污剂 214 214 主要成分高锰酸钾 主要成分高锰酸钾 液碱 液碱 5 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 5反应原理 4MnO4 有机树脂 4OH 4 MnO42 CO2 2H2O 5 附产物的生成 KMnO4 OH K2MnO4 H2O O2 K2MnO4 H2O MnO2 KOH O2 MnO2 是一种不溶
9、性的泥渣状沉淀物 5 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 5 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 Desmear 3 3 3 MLB MLB 中和剂中和剂216216 酸性强还原剂 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
10、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
11、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 微蚀前微蚀前 微蚀微蚀后后微蚀微蚀后铜面状况后铜面状况 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
12、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
13、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 2
14、3 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
15、 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
16、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 1 2 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 4 3 8 化学沉铜品质检定方法及标准化学沉铜品质检定方法及标准 5 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
