图形电镀工艺教材一. 图形电镀简介: 在平板电镀后,板件通过干膜曝光显影后需要通过图形电镀 图形电镀的目的在于加大线路和孔内铜厚(重要是孔铜厚度),保证其导电性能和其他物理性能根据不同客户不同板件的性能规定,一般孔壁铜厚在0.8mil-1.2mil之间(平板层+图电层),由板件特性决定其平板层和图电层的分派 一般来说,平板电镀层仅保证可以保护稀薄的沉铜层即可,一般在0.3mil-0.4mil左右,特殊铜厚规定和线路分布不均除外,图形层则保证在0.4-0.6mil,在保证总铜厚的基础上,假如图形分布均匀,比较厚的图形层可以节省铜球耗用和蚀刻成本,提高蚀刻速度,减少蚀刻难度反之,假如线宽规定不严,而图形分布不均线路孤立,则可以提高平板层厚度,减少图形电镀层厚度 图形电镀后是蚀刻流程二. 图形电镀基本流程: 板件通过贴膜曝光显影后形成一定的线路,图形电镀就是针对干膜没有覆盖的铜面进行选择性加厚图形重要流程如下(水洗视条件不同,为一道至两道): 进板—除油—水洗—微蚀—水洗—酸浸(硫酸)—电镀铜—水洗—酸浸(氟硼酸)—电镀(铅)锡—水洗—出板—退镀(蚀夹具)—水洗—进板1 .除油:电镀除油流程为酸性除油,重要是除去铜面表面的污物。
因板件通过干膜流程后,不可避免地会在板面带上手印、灰尘、油污等,为使板面洁净,保证平板铜层和图形铜层的层间结合力,必须在电镀前加上清洁板面的流程采用酸性环境除油效果比碱性除油差,但避免了碱性物质对有机干膜的袭击,重要成分为硫酸和供应商提供的电镀配套药水(安美特—FR,B图电\C图电\脉冲线;罗门哈斯—LP200,B(II)线;成分均为酸性表面活性剂)酸性除油剂的浓度测定是通过测定计算浓硫酸(98%)浓度来相对估算(无法直接测定,而配缸和消耗都是1:1比例),因此在换缸和补充的时候要保证两者要等量添加,以保证测定浓度和实际浓度的一致性2. 微蚀: 除油的微蚀流程重要作用为去除表面和孔内的氧化层,并将铜层咬蚀出微观上粗糙的界面,以进一步提高图形电镀层和平板层的结合力 微蚀体系通常有两种:双氧水体系和过硫酸钠体系图形电镀流程一般采用过硫酸钠和硫酸,硫酸起去除氧化,保持板面润湿的作用基本原理:S2O82- + Cu → Cu2+ + 2SO42-此外,微蚀药水中应当保持一定浓度的铜离子(3-15g/l),以保证微蚀速率,微蚀速率控制在0.5μm -1.5μm/min为宜。
因此微蚀缸的换缸一般要保存5-10%的母液3. 酸浸(电镀前): 板件进入镀缸前先进入酸浸缸,可以进一步去除氧化,减轻前解决清洗不良对镀缸的污染,并保持镀缸酸浓度的稳定 酸浸的体系重要取决于镀液的组分体系,镀铜药水是硫酸体系,酸浸缸药水就采用硫酸,镀锡(铅锡)药水是氟硼酸体系,酸浸缸药水就采用氟硼酸酸浸浓度和镀缸酸浓度也保持一致,以减少对镀缸酸浓度的稀释作用4. 镀铜:4.1 基本原理 镀铜是通过电压的作用下,使阳极的铜氧化成为铜离子,铜缸的铜离子在阴极获得电子还原成铜: 阳极:Cu - 2e → Cu2+ 阴极:Cu2+ + 2e → Cu 这是镀缸里的最重要的反映,在酸度局限性的情况下,还也许出现还原不完全而产生一价铜,即所谓的“铜粉”,会导致镀层粗糙或呈海绵状,这种情况应当避免在电镀过程中出现4.2 重要成分及作用: 镀铜缸重要成分为硫酸铜、硫酸、微量氯离子、供应商提供的镀铜添加剂硫酸铜是镀液中主盐,它在水溶液中电离出铜离子,铜离子在阴极上获得电子沉积出铜镀层较高硫酸铜浓度可以提高允许电流密度,避免高电流区烧焦,硫酸铜浓度过高,则会减少镀液分散能力。
一般控制在50-80g/l之间,折合成铜离子约为12-20g/l硫酸的重要作用是增长溶液的导电性,硫酸的浓度对镀液的分散能力和镀层的机械性能均有影响,硫酸浓度太低,镀液分散能力下降,镀层光亮度下降;硫酸浓度太高,虽然镀液分散能力较好,但镀层的延展性减少一般控制在100-150ml/l(98%)氯离子重要作用是使阳极溶解均匀,镀层平滑有光泽氯离子正常时阳极膜呈黑色,过量则变成灰白色氯离子局限性容易使镀层出现发花,光泽低,而过高的氯离子容易使阳极钝化无法继续溶解配槽以及补加水都要纯水,不可用自来水,由于里面加有氯气或漂白粉,会带入大量的氯离子一般控制在40-80ppm间通常补充氯离子采用36.5%盐酸加入镀铜添加剂重要有两个组分:光亮剂、整平剂(调整剂),均为商品化产品,一般是一些含S或N的有机物添加剂的作用为加速铜的沉积,改善其晶粒排布,以提高铜层的延展性等品质光亮剂重要作用在电镀界面上,控制铜堆积的速率以保证沉积出来的铜层均匀光滑,从而使镀层光亮整平剂(调整剂)重要吸附在阴极表面,特别是电流密度较高的位置(例如孔的拐角部位和板件的边沿),从而对电沉积起到克制作用,使镀层平整没有添加剂或添加剂局限性,铜将在板件上做无规律的堆积,产生凹凸不平和烧焦的铜层,从而无法保证镀层的物理性能。
添加剂的补充重要是通过自动记录的电镀安培小时数按比例添加4.3 电镀条件及影响 电镀铜一般有以下几个重要的因素:温度、搅拌、过滤、电流、时间 温度:对镀液性能影响很大,温度提高,会导致允许的电流密度提高,加快电极反映速度,但温度过高,会加快添加剂的分解,使添加剂的消耗增长,同时镀层光亮度减少,镀层结晶粗糙温度太低,虽然添加剂的消耗减少,但允许电流密度减少,高电流区容易烧焦一般控制在20-30 ℃,最佳控制22-28 ℃ 搅拌:可以消除浓差极化,使镀液提高允许电流密度搅拌一般通过使阴极(板件)移动(摇摆)和使溶液流动(打气或喷流循环)共同进行 1)摇摆:通过摇摆轮带动摇摆杆的运动来实现阴极板件的移动可以促进孔内的溶液流动,也能及时被赶出出现的气泡2)打气:通过压缩空气搅拌对镀液进行的中度到强烈的翻动,对镀铜液而言,不仅使镀液可以充足地搅拌均匀,还能提供足够的氧气,促进溶液中的Cu+氧化成Cu2+,协助消除Cu+的干扰 3)喷流循环:也叫喷射式搅拌,通过镀缸底部不同角度的喷射管通过加压把镀液做一定速度的喷射,以加速镀液的互换,同样也起到使镀液浓度保持均匀,从而提高孔内镀层均匀性的作用。
喷流循环和打气搅拌两者只能选其一,假如两种方式同时使用,则容易出现气泡夹杂在镀液进入喷射管再通过喷射作用在板面上从而引起针孔等缺陷 过滤:重要是通过循环过滤泵安装一定数量的过滤芯来净化镀缸镀液,使镀液中的杂质及时地除去,避免板面镀层问题,同时镀液的循环流动(一般镀缸均配置有体积不等的副槽)也使镀缸各位置药水浓度保持均匀一致过滤芯使用5-10微米的棉芯或PP滤芯,一般镀缸镀液每小时过滤4-8个循环 电流密度和电镀时间: 电流密度指的是单位面积上分派到的电流大小,通常用安培/平方分米(ASD)作单位,电流密度可以衡量铜层沉积的速度,电流密度大,则沉积速率快在保证板件质量的条件下,高电流密度能提高生产效率 但电流密度不能随意升高,由设备能力(整流机和阳极面积及排布)和板件特性(线路情况和板件质量规定)决定电镀时间则根据铜厚规定和电镀线自身能力限定的最大电流密度来安排在图形电镀中,由于图形分布均不一致,不同板件的电流密度和电镀时间一般都要通过试镀,测定孔壁铜厚后再调整为正式生产,以避免孔铜局限性或过高带来的质量问题4. 4 重要物品: 阳极:为含磷0.04-0.06%的铜球,含磷阳极可以维持合适的溶出速度,避免阳极溶解过快产生的铜粉,而过高的磷含量会使阳极钝化影响其溶解。
铜含量一般规定在99.9%以上,过多的金属杂质会导致镀层的物理性能减少阳极篮、阳极袋:阳极篮是盛放含磷铜球的器具,一般为金属钛制成,钛金属不溶出,不影响镀液阳极袋套在阳极篮上,可避免含磷阳极泥进入镀缸污染镀液阳极袋一般比阳极高3-4厘米,避免因镀液搅动而从阳极篮上方带出阳极泥5. 镀(铅)锡:镀完铜后通过氟硼酸缸后进入铅锡缸镀铅锡重要是对保存线路进行保护在碱蚀流程中,蚀刻液对铅锡层无明显的作用,在要保存线路上菲林开窗镀上铜并镀上铅锡,铅锡可以作为蚀刻时规定保存的铜面的蚀刻阻剂,来保护其不受蚀刻液的袭击一般来说,铅锡层作为保护层,厚度没有过高的规定,在120-150μ”已经可以保证保护效果镀铅锡重要采用的是氟硼酸体系,则其药水重要成分是氟硼酸铅、氟硼酸锡和氟硼酸氟硼酸铅和氟硼酸锡是主盐,氟硼酸起增长导电性作用同样镀铅锡也需要相应的一些添加剂来保证铅锡层的质量,添加剂涉及校正液、精细剂等,有的则是将完毕功能都放在一起组成单一组分,铅锡添加剂的添加也是通过安培小时数的自动记录来控制自动添加的镀铅锡所用阳极为铅锡比例为37/63的商品化产品 6. 退铅锡: 镀完铅锡后板件就走完整个图形电镀流程,回到入板位置开始卸板。
板件卸完后不是立刻上板,而要通过退铅锡流程退铅锡是为了使夹具夹点镀上的铅锡(涉及包在里面的铜)不会逐渐累积而影响板件和夹点的接触,避免夹点上铜导致电镀面积的变化影响铜厚退铅锡缸的成分为硝酸,浓度为50%左右三. 工艺要点:1. 电流指示的制作:制作电流指示时一定要先查看MI资料,确认客户类型、板厚、最小孔径、板厚孔径比、规定的最小孔壁铜厚、图形分布情况、是否有平板加厚、孔径公差规定及后解决方式(沉镍金板、OSP板、无铅喷锡和沉锡等)一般括号内四种后解决方式的板件由于后解决时蚀铜量大,通常要加大0.1-0.15mil图形电镀重要是对孔铜进行加厚,考虑不同板厚孔径比(板厚与孔径的比值),以上公式应当再除以深镀能力(镀液由于在表面互换比在孔内互换频繁,孔内的镀层厚度与表面的镀层厚度为一个小于1的比值,板件厚度越大,孔径越小,比值越小,并且不同的镀液成分和比例也有所不同),然后按不同电镀线的电镀周期及其相应的特点,设定其电流密度和电镀时间试镀电流参数可以通过以下估算来拟定: 根据法拉第定律,可以推导出电镀铜层的沉积速率约为: v (mil/min)=0.0087*D*η (D:电流密度/ASD ;η:电流效率/%) 一般电流效率按95%计算,则理论电镀铜厚度(mil)= 电流密度(ASD)*电镀时间(min)/120/深镀能力 深镀能力大体可参考下表代入以上公式(图形分布差异未考虑):罗门哈斯125体系:电流密度 厚径比<4:14-6:16-7:1>7:11.0-1.5ASD90%80%75%按60%1.5-2.0ASD80%75%65%按55%>2.0ASD75%65%60%按50%安美特TP体系:电流密度 厚径比<4:14-6:16-7:1>7:11.0-1.5ASD95%85%80%按65-70%1.5-2.0ASD90%85%75%按65%>2.0ASD90%80%70%按55%对于平板加厚板件,若板厚超过3mm板件,即使平板加厚至0.5mil,但事实上只有0.3mil左右,电流指示设计时要充足考虑厚板的深镀能力较差,适当提高电流密度或延长电镀时间,防止出现多次试镀孔壁铜厚局限性。
对图形分布情况的影响:电镀面积超过50%的板件也许存在大铜面,电流指示设计时也要考虑进去,板边较大但板内图形孤立、线路稀疏的板件一般要使用较低的电流密度防止镀层过厚夹膜电镀面积的估算:通常以板面面积估算为主,电镀面积为拼板总面积*电镀。