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1、IICUIICU流程讲解流程讲解3.293.29一.IICU流程概述;二.主物料/治工具簡介;三.流程細述; IICU上板電鍍IICU下板1.2.IICU流程簡介上料清潔水洗微蝕水洗酸浸鍍銅水洗酸洗鍍錫水洗(二)下料硝挂架水洗上料1.1.製程目的 此製程或稱線路電鍍 (Pattern Plating),有別於全板電鍍(PanelPlating) 陽極銅: 陽極銅是作為電鍍陽極提供鍍液銅離子的.正常時陽極呈黑色.按產品類別分球形狀和異形狀,其質量性能分物理性能和化學成分組成兩類.1.化學成分分類 銅含量:銅含量需保證在99.90%以上 磷含量:一般控制在0.035-0.075%左右雜誌含量:小於
2、0.005%雜誌含量高易造成電路板鍍層粗糙脆 化,可焊性降低其次干擾光澤劑作用,造成陽極泥 多影響品質污染環境.2.物理性能: 密度:要求陽極組織結構致密無疏松氣孔裂紋密度不小於 8.9g/cm3金相組織:微觀金相組織檢驗,組織晶粒應均勻一致,無磷的 偏折並有少量的CU3P存在. 外觀:陽極投外觀要求不得有尖角存在(避免尖角放電) 銅光劑 有機添加劑在電鍍液中的功能是利用有機物在陰極表面吸附反應形成溥膜及有機物的加速性與抑制性的平衡反應造成極化曲線偏移,使鍍層結晶細致,藉以增加鍍銅之延展性和電鍍效率同時亦可調整低電流區之沉積速率達到增加貫孔性,均勻性及平整性之目的主要有光澤劑(Brightne
3、r),平整劑(leveler),載運劑(carrier),潤濕劑(wetter)等功能.1.光澤劑: 為了控制晶核的生成速度使晶體細致,排列緊密的鍍層.光澤劑通過含硫的小分子量化合物扮演晶種的角色,可以降低銅離子還原之活化能,如R1-S-S-R2類的化合物大都是具有相異分子,低分子量高極性及離子特徵的特性.於是電鍍時解離後的R-S與銅形成CUS,CUS不易溶於水因此,CUS易在銅的表面吸附,造成原子彼此吸引增大溶解能量而沉積,形成新晶核,使鍍銅速率加速進行,鍍層較為細致,提高物性,同時得到光澤的表面.2.載運劑 載運劑多為高分子量的化合物,如聚醚類(poly ethers) 聚乙二醣(PEG)
4、 (C2H4)N一類的化合物分子量大都落於5000-15000之間與光澤劑的角度相反,為了避免粗糙的銅結構,載運劑扮演增加極化的功能,能吸附在銅面阻擋銅離子的擴散,進而抑制銅的成長(又稱為”抑制劑”尤其是高電流區的極化電阻趨於一致,達成使貫孔性及表面均勻性改善.3.平整劑 平整劑為含氮的帶正荷化合物,如聚氮類在酸性溶液中帶有很強的正電性,易吸附在帶負電強的區域(高電流密度區)與CU2+產生競爭反應不利銅的沉積,所以,可在高流密度區扮演抑制的角度,在低電流密度區,反而會促進銅的成長及共鍍,常被用來增加銅層的平整性:但平整劑易裂解且不易分析,可操作之電流密度較小且較窄:裂解後與銅共同,沉積於鍍層中
5、,將造成鍍層物性變差.4.電鍍原理: 4.1.法拉第定律: 第一定律-電鍍時,陰極上所沉積(deposit)的金屬與所通過的電量成正比. 第二定律-在不同鍍液中以相同的電量進行電鍍時,其各自附出來的重量與其化學 當量成正比.拉第定律指出化學反應之物質守恆定律. 4.2電極反應:陽極反應: 陽極為可溶性陽極時,主要反應為陽極金屬被氧化放 出離子溶入電解質中. M-M2+2e- 陽極為不可溶性陽極時,其氧化反應之形態視電解質之性質而定,如於鹼性溶液中. 4OH-2H2O+O2+4e-於酸性溶液中:2H2O-4H+O2+4e- (此類反應為副反應,)陰極反應:陰極之反應為還原反應,如:M2+2e-M
6、 (金屬沉積)當電流密度達到了(limit)時,即使再加壓電流密度也不會再上升. 若外加電位太高(ct1)時,則溶流產生最大量氫氣並產生金屬粉末.4.3.電極電位 當金屬浸於其鹽類之溶液中時,其表面那發生金屬溶成離子或離子沉積成金屬之置換可逆反應,直到某一電位下達到平衡,以常溫常壓下,以電解稀酸 液時 白金陰極表面之氫氣泡做為任意零值。將各种金屬對”零值極” 連通作對比時,可知各种金屬對氫標準電極之電位值。金屬NHE值越大,越易由離子還原成金屬,如: Zn2+ + 2e - Zn -0.762V Cu2+ + 2e - Cu +0.34V因NHE值:CuZn,故相同條件下,在同一鍍液中,Cu金
7、屬先沉積出來.4.4.電鍍效率: 電鍍時,實際沉積重量與理倫值之比例.稱之為電鍍效率. 電鍍效率:=m/I*t*c m:實際析出重量(克), I:通入之電流(安培) t:時間(小時) , C:電化當量(克/安培-小時) 電化當量: 電鍍過程中以1秒鍾通過1安培電流,在陰極析出之物質重量,稱為該物的電化當量(毫克/庫倫-mg/coulomb,pcb電鍍銅常用克/安培 g/A.H)常見電路板金屬的電化當量:名稱名稱銅銅銅銅鎳鎳鎳鎳錫錫錫錫銀銀金金化合價化合價1 12 22 23 32 24 41 13 3電化當量電化當量毫克毫克/ /庫倫庫倫0.6580.6580.3290.3290.3040.3
8、040.2030.2030.6150.6150.3070.3071.1181.1180.6810.681克克/ /安培安培- -小時小時2.3722.3721.1861.1861.0951.0950.730.732.2142.2141.1071.1074.0254.0252.4522.4524.5. 過電壓(Overpotential)： 在溶液中的帶電物體在平衡時會存在一定電位值，此電位值稱為平 衡電位(E0)：當該物質產 生一反應不論化學（氧化還原）或物理 反應（擴散）等時，都必須賦予額外能量，這種 能量在電化學的 領域我們稱為給予的反應電壓叫作過電壓，其關係可以下式表 示： V(appl
9、ied)-E4.5.1 電鍍的過電壓： 在電鍍過程中電壓主要表現分成下列三項： ct+mt+IR-(1) ct：Charge transfer overpotential：電鍍反應的過電壓 mt：Mass transfer overpotential：質傳反應的過電壓 IR：溶液本身的電阻 對電路板而言孔與表面為等位面，因此s(surface)= h(Hole)，因此 s=h=sct+smt+IRs=hct+hmt+IRh-(2) 其中mt表示帶電離子藉Diffusion作用通過Diffusion layer所造成的電位差，其狀況可以下圖9.1表示圖9.1顯示的意義為在距離()之外的溶液，其金
10、屬離子濃度可視為定值，其數值與整槽的平均濃度(C)相同 。而在一定距離()內，金屬離子濃度會逐漸下降，此一濃度下降的區稱為 Diffusion Layer，而值即為Diffusion layer thickness；由於濃度梯度的存在(Concentration gradient)會消耗電能，此即為Mass transferoverpotential存在的原因，其大小可以下式表示：mt（RT/nF）(I/iL)=0.082(J/JL)-(3) 其中J及JL分別代表電流密度及極限電流密度，而極限電流密度JL可以表達：JL=(nFDCb/)=K(Cb/)-(4) 當系統選定(Cb)操作方式固定()
11、，JL值相對也就固定。但()值會大攪拌及掛架不同而修正。 一般而言，板面因攪拌而()變小；因此JLS很大而造成mts低，反之由於攪拌方向多和 孔 方向垂直；孔內因為金屬離子不易補充及攪拌不佳造成Cbh偏低及值偏高, 以致JLh偏低 mtL偏高(mthmtsL)至於IR項是溶液電阻形成的電壓降，距離愈長降愈大；一般取板面的 IR=0，而孔內則為： EIR=(J.L2/2Kd)-(5) J：電流密度 L：板厚 d：孔半徑 在一般狀況EIR0而mthmtsL 因此根據式(2)可知cthcts恆成立，也就是孔內的Charge transfer potential永遠小於表面 的Charge trans
12、fer potential，而且隨著板厚愈大(即使Aspect ratio不變)，兩者差值愈大。4.5.2.過電壓與電鍍 在各種過電壓中，真正決定電流密度的是ct它與電流密度有如下圖下圖關係：不同ct時電流度的變化曲線(極化曲線)，其內容如下： a.一般而言當系統被賦予電壓時會相應產生電流，其電流變化一開始時較緩，爾後會呈穩定上升，最後趨向極限電流密度J(Limit) b. 當電流密度達到極限時，即便再加壓電流密度也不會再上升 .c. 給予電壓因分佈不均而局部過高，則當超過極限時會產生氫氣，造成局部燒焦及低電流效率的缺點.d. 若外加電壓太高(ct2*)，則溶液產生大量氫氣並產生金屬粉末.電鍍
13、銅的計算公式:電流密度(ASF)*時間(min)*(電鍍效率)=厚度(mil) 5.鍍錫鉛 5.1.二次銅後鍍錫鉛合金的目的有二： a. 蝕刻阻劑, 保護其所覆蓋的銅導體不會在鹼性蝕銅時受到攻擊。 b. 裝配焊接, 須再經IR重熔,目前多已不使用. 由於鉛對人體有頗大的為害,廢液處理不便宜因此純錫電鍍已漸取代傳統錫鉛. 5.2 鍍液配方及其操作 A. 標準型配方(Standard Bath) 陽極組成（60錫，40鉛）與陰極之面積比為1/2，攪拌要做陰極桿往復式機械攪拌，及連續過濾。B. 高分佈力鍍液(High Throwing Power Bath) 其他攪拌、過濾、及陽極與標準液相同 高分
14、佈液與標準液最大的不同在金屬濃度的大量降低，但同時都大大提高游離氟硼酸量，使板子上不會因電流密度相差太大而引起鍍層厚度的 懸殊差異，高分佈液因金屬含量低了在配液成本及板子作業帶出也因之降低，對於廢水的負擔也相形減輕。C. 原理及操作 各個成份功能表 a. 鍚鉛槽以氟硼酸系為主，調配藥液成份可得不同的鍚鉛比例，從0%至100%的組成都 可能,離子來源是氟硼酸錫及氟硼酸鉛在鍍液中水解而成二價錫離子及二價鉛離子. b. 游離氟硼酸在鍍液中，主要功用則是陽極的溶解，增加導電度並能抑制錫鉛鹽類的分 解，尤其是阻止二價錫氧化成為四價錫，又能幫助鍍層晶元的細膩化，扮演著重要的 角色。氟硼酸是由氫氟酸及硼酸二
15、者反應而得： 4HF + H3BO3 a HBF4 + 3H2O 但此為可逆反應會再水解而成為HF及H3 BO3 的，因此槽液中要掛一內裝硼酸的PP 布袋，以抑制氟硼酸的水解。 c. 添加劑中以蛋白梀Peptone最常用.蛋白梀Peptone 是一種蛋白質水解成胺基酸的過程 的產物多由牛肉或牛膠在酸中水解所製成；用於電鍍時多加有防腐劑以防細菌所敗 壞。其在鍍液是扮演一種使鍍層晶粒細膩化，抑制高電流區長樹現象(Treeing)，並增 加並增加鍍液的分佈力, 其含量以5-6g/l為宜.蛋白梀不易用簡單的方法分析，需用到 哈氏槽試驗作為判斷的方法. d. 鍍槽不用吹氣攪拌以免產生氧化四價錫沉澱，若前
16、製程帶入硫酸根則會和鉛形成不溶 性硫酸鉛沉澱，一般處理的方式是在槽前加一槽氟硼酸浸漬，如此既可防止雜物攜 入又可防止過多的水引入後所造成的水解問題 e. 為焊接而作的鍍層仍以鍚鉛為多，最常被要求的電鍍鍚鉛組成是40%鉛60%錫.一般 在兩金屬間會產生介面金屬(IMC)，對銅鍚而言有Cu3Sn的phase及Cu5Sn6的 phase，前者出現是焊錫性不利的表徵，後者是焊接之初焊接良好的產物. f. 因環保問題,錫鉛組成穩定度問題，很多使用者已改採純鍚作為電路板抗蝕金屬. 純鍚製程後面會提及.純鍚電鍍 A. 鍍純錫是一種極容易且廣泛應用於特定用途的電鍍，由於錫的Highthrowing power
17、，因此即使特殊形狀有凹孔的鍍件，也不需要特殊形狀的陽極來改善其電鍍分布. B.商業化的錫鍍槽目前有四種，各為氟硼酸錫、酸鉀及鹵化錫氟. C.硼酸錫槽：一種不太需要控制的槽液，陰陽極效率多到達近100%，一般的錫電鍍在氟 硼酸槽中錫為+2價，而在錫酸鹽槽中錫為+4價，因此電鍍速率有兩倍的差距，操作 溫度約為3254 D.光澤系統可用的有多種，如：蛋白質(Peptone)、白明膠(Gelatin)、-Naphthol、 鄰苯二酚(Hydroquinone)等 E.錫槽原則上不加空氣攪拌，以免產生錫氧化而生成白色沉澱，實務上錫陽極電流密度 以不超過25ASF為原則，以免因錫溶解過快而使槽內錫濃度增高
18、. 污染的影響: 錫鉛鍍液最容易引起污染的金屬雜質就上游流程的銅，而影響錫鉛鍍層性質及其裝配時 之可焊性最大者也是銅。錫鉛鍍液中只要銅染濃度超過20PPM時鍍層立即會反映出各 種不良的徵狀，現分述於後： A.鍍面由原來正常的淺灰色變成昏暗之深灰色，若用哈氏槽印證時，在267 ml小槽中在無攪拌之靜止鍍液中以安培鍍10分鐘後，在黃銅試片右緣低電流密度處會發現明顯變黑的情形即為銅污染之明證。 作業實務與注意事項 a. 硫酸銅液成份 表是典型常用鍍液成份 b. 各成份及其功能： 硫酸銅，是供給槽液銅離子的主源，配槽時要用化學級之含水硫酸銅結晶溶解使用，平時作業中則由陽極磷銅塊解離補充之配液後要做活性
19、炭處理(Carbon treatment)及假鍍(Dummy plate)。 硫酸，要使用試藥級的純酸，硫酸有導電及溶解陽極的功用，日常操作中銅量因 吹氣的氧化作用使陽極膜的溶解增加，故液中的銅量會漸增而酸量會漸減，要逐日作分析以維持其酸與銅之重量比在10:1以上以維持良好的分佈力。鍍液在不 鍍時要關掉吹氣，以防銅量上升酸量下降及光澤之過度消耗。 氯離子，有助陽極的溶解及光澤劑的發揮功能，使陽極溶解均勻，鍍層平滑光 澤。氯離子正常時陽極膜呈黑色，過量時則變成灰白色，配液及添加用的水一 定要純，不可用自來水，因其加有氯氣或漂白粉（含次氯酸鹽）會帶入大量的氯離子。 陽極，須使用含磷0.02-0.0
20、6的銅塊，其面積最好為陰極的兩倍。 添加劑，主要有光澤(Brightner)、整平(Leveller)、載體(Carrier)、潤濕劑(Wetter)等功能,用 安培-小時添加補充.c. 操作及設備： 整流器與陰陽極 提供電流的整流器與陰,陽極間的配線方式非常重要 1. 配線的銅軸直徑:此和每隻Fly-bar須要電流及拉線距離有關 2. 最好陰陽極桿的兩端都有配接,可使電流分布均勻. 3. 參考圖9.5(a.b)參考圖9.5 a參考圖9.5 b 陽極,陽極鈦籃與陽極袋 1.捨棄以前扁平型的，改為長條型以方便調整位置與數量. 2.陽極的長度要比陰極的掛架要短，以減少掛架下端高電流區之燒焦。見圖9
21、.6(a.b),至於短多少則要視陰陽極距,槽深,掛架,攪拌方式等實施狀況而定. 3.陽極袋可用PP材質，用以前要稀硫酸浸一段時間 4.正常的陽極膜是黑色的，若呈棕色時表陽極中含磷不夠，呈銀灰色時表液中氯離子太多而成了氯化銅。但這只是一般判斷尚須槽液分析輔助. 5.陽極袋的功用在防止陽極膜屑.碎銅粒掉落槽中,更換頻率約一年四次,但只要發現有破得馬上換掉. 過濾及吹氣 1.過濾:一則使鍍液流動,再則使浮游物被濾掉，其過濾速度應每小時至少使鍍槽全 部鍍液能循環3次，當然速度愈大愈能降低diffusion layer的厚度有利電鍍。濾 心要在5微吋以下之密度，以達清潔之目的。 2.吹氣管放置在陰極板的
22、正下方兩排向下45吹氣,見圖9.7除降低Diffusion layer的厚度，加速離子的補充，更可以幫助光澤發揮作用。 擺動與震動 擺動與震動的目的也在縮小diffusion layer,並使孔內不殘留氣泡.溫度 第三代硫酸銅要在25左右操作最好，溫度高了會造成添加劑的裂解，不但用量 增加而且造成污染非常不利。故在本省之亞熱帶氣候夏天需要冷凍降溫。但鍍液低於15以下時會造成導電不良，效率降低，故到了冬天後又要做加溫的設施， 以減少因低溫而造成的粗糙、無光澤甚至燒焦。 安培小時自動添加 此部份已屬標準配備d. 維護及管理： 日常管理:槽液之日常操作可在一個過濾機中加裝活性濾心，使裂解的有機物得以
23、吸附使鍍層能保有良好的性能。此種日常輕度的處理可延長鍍液的壽命，減少carbon treatment的頻率. 分析及補充:要每日對銅濃度、硫酸濃度及氯離子含量做化學分析，再根據實際結果做調整,須注意做長期趨勢分析以判斷有否操作異常,或設定條件有誤. 光澤劑的補充分析: 1. 安培小時自動添加 2. 用哈氏槽(hull cell)模擬實驗 3. CVS分析 B.銅污染會引起鍍液中二價錫的氧化成為四價錫，並使陽極產生較多的鈍層膜，甚至引 起鍍層中有氧化鉛的存在，因而造成重熔的困難，會產生重熔後表面的砂礫狀，錫面 不平(dewet)以及許多小坑陷(pimpling)幸好此種無法避免的銅污染可用低電流
24、假鍍法可以除去，其做法是定時用折摺狀的不銹鋼板當成陰極假鍍板，以1-3 ASF去鍍幾小時就可以除掉。 C.除了銅之外其他也會有銀、鋅、鎘、等都可能存在陽極中及來自環境中鐵等的污染，幸好此等微量的金屬污染尚不致造成焊性的惡化，但若含量過多時也會影響鍍液的分佈力及鍍層之組成，不過此等金屬都比錫鉛來的活潑，在酸性溶液中容易被折鍍出來，也就是可用假鍍方式除掉。 D.鍍液中除了金屬污染外就是有機污染了，當然其大量是來自蛋白的裂解物，應定時用活性炭處理除掉。 9.3 小孔或深孔鍍銅 電路板的裝配日趨緊密，其好處不外減少最後產品的體積及增加資訊處理的容量及速度。對板子而言細線及小孔是必然要面對的問題。就小孔
25、而言，受衝擊最大的就是鍍銅技術，要在孔的Aspect Ratio很高時，既要得到mil厚的孔壁，又不發生狗骨現象，而且鍍層的各種物性又要通過現有的各種規範，其中種種需待突破的困難實在不少。以下是一些對應的方式. A. 選擇高純度的特定助劑，如特殊的整平劑使在高電流處抑制鍍層增加，使低電流處仍能有 銅正常登陸，並嚴格分析、小心添加、仔細處理以保持鍍液的最佳效果。 B.改變鍍槽的設計，加大陰陽間的距離，減少高低電流密度之間的差異。 C.降低電流密度至15ASF以下，改善整流器出來直流的紋波量(Ripple)至以下。若不行 時將電流密度再降低到5ASF，以時間換取品質。 D.增強鍍液進出孔中的次數，或稱順孔攪拌，此點最為重要，也最不容易解決，加強過濾 循 環每小時至少次，或增加超音波攪拌。 E.不要增加銅的濃度但要增大硫酸與銅的濃度比值，至少要10/1以上。 F.助劑添加則應減少光澤劑用量，增加載體用量，並用安培小時計管理添加，定時用CVS 分析助劑之裂解情形。 G.試用脈波電流(Pulse Plating)法，以減少面銅與孔銅之間的差異，並增加銅層的延展性，並 能以不加添加劑的方式使鍍層得以整平。THE END!结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！37
