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1、 Date : 10.29, 2002Presented by : 唐治宇（P&D）1 为电镀铜工程师提供一份基础教材；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，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；以便解决问题； 提高电镀铜工程师的整体技术水平。提高电镀铜工程师的整体技术水平。2 一、制作流程：一、制作流程：- 4 二、二、工艺原理：工艺原理：- 5 三、物料：三、物料：- 6 四、操作条件：四、操作条件：- 18 五、机器设备：五、机器设备：- 23 六、六、制程控制及接受标准：制程控制及接受标准：- 31 七、七、能力研究：能力研究：
2、- 33 八、案例及缺陷分析：八、案例及缺陷分析：- 493 内层制作内层制作 钻孔钻孔 除胶渣除胶渣 沉铜沉铜 全板电镀全板电镀 图形转移图形转移 图形电镀图形电镀 褪膜、蚀刻、褪锡褪膜、蚀刻、褪锡 绿油绿油 表面处理表面处理一、制作流程一、制作流程4 镀铜在镀铜在PCB制造过程中，主要用于加厚孔内化学铜层和线路铜层。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 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+ Cu
3、2+H2O二、工二、工 艺艺 原原 理理5 磷铜阳极：磷铜阳极：镀液中Cu2+的来源。 硫酸铜：硫酸铜：镀液主盐。 硫酸：硫酸：增加镀液导电性。 氯离子：氯离子：活化阳极并协同添加剂改良镀层品质。 添加剂：添加剂：改良镀层品质。三、电三、电 镀镀 物物 料料6磷铜阳极磷铜阳极 铜阳极中为什么要含磷？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+存在下述反应： 2Cu+Cu2+Cu7磷铜阳极磷铜阳极 Cu+的危害： 2Cu+H2SO4 Cu2SO4 Cu2SO4+H2OCu
4、2O（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。8磷铜阳极磷铜阳极 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。9磷铜阳极磷铜阳极 铜阳极中含量应该是多少呢？铜阳极中含量应该是多少呢？ 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
5、增加，电压升高，有利H+放电，容易形成针孔。10磷铜阳极磷铜阳极 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。11硫酸铜硫酸铜/硫酸硫酸 电镀液中的主盐，提供阳极反应时的电镀液中的主盐，提供阳极反应时的Cu2+，并通过阳极溶解获得并通过阳极溶解获得 Cu2+的补充。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； 硫酸的浓度过高，降低Cu2+的迁移率，效
6、率降低，镀层延展性 下降。12氯离子氯离子 阳极活化剂，帮助阳极正常溶解。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。13氯离子过高如何处理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。14添加剂添加剂 添加剂一般分为光
7、泽剂与辅助剂。添加剂一般分为光泽剂与辅助剂。 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。15添加剂添加剂 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+16添加剂添加剂 光泽剂副产物过高的影响： 产生Folds缺陷，深镀能力下降，出现
8、狗骨现象。 镀层表面变光亮，硬度增加，镀层变脆，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。17 较为通用的药水浓度控制范围：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、操四、操 作作 条条 件件18 其他操作条件：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/dm
9、2 （与缸体设计、介质浓度及添加剂的选择有关）操操 作作 条条 件（续）件（续）19操作条件的影响操作条件的影响 温度：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。20操作条件的影响操作条件的影响 电流密度：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。21操作条件的影响操作
10、条件的影响 搅拌：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Eductor或液下喷射等方法。22 电镀铜的主要设备为：（以龙门式垂直挂镀线为例）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、机五、机 器器 设设 备备23设备对电镀铜品质影响设备对电镀铜品质影响 镀槽：镀槽： 阴阳极距离：通常为
11、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。24搅拌方式的介绍搅拌方式的介绍 传统方法：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。25搅拌方式的介绍搅拌方式的介绍 改进方法：改进方法： 采用喷射系统（如GZ Ph
12、ase 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 动缸内镀液，流量约增加34倍，可使搅拌强度成倍增加。26整流机整流机 提供电镀的电源提供电镀的电源 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。27脉冲整流机脉冲整流机 脉冲波形：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
13、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。TFTRIRIFTI波形示意图28脉冲整流机脉冲整流机 脉冲电镀应用时应注意的问题：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。29脉冲整流机脉冲整流机 以以Shidey PPR系列为例：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
14、过与空气中的氧气 发生反应后，以活性碳过滤除去。30 镀液组分测试：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、测六、测 试试 方方 法法31 镀层品质测试项目：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（IPC-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。测测 试试
15、 方方 法（续）法（续）32 在电镀铜中研究的主要课题是：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？讨论：如何提高镀层可靠性？七、能七、能 力力 研研 究究33镀层均匀性镀层均匀性 影响镀层均匀性主要有如下因素：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，
16、防止局部过厚； 阴极夹应均匀排布，接触良好。34深镀能力深镀能力 影响深镀能力的因素：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。35硫酸铜含量越高，镀液粘度越大。深镀能力深镀能力 质量传递：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：36深镀能力深镀能力 孔内流动状态分布： 管进口段沿截面的流速分布：37 管两端压力差与流速关系：PN/m2610311030.21.01.8u(m/s)L=2cmd=0.5mmPN/m2610311030.21.01.8u(m/s)L=6cmL=3cmL=1.5cm流速u，管两端压力差P
17、管长度增加流速迅速减小深镀能力深镀能力38 浓度超电势（浓度超电势（m ）：）： 定义：电极表面附近溶液反应物浓度与主体溶液中反应物 浓度差引起。 m=（RT/Nf）Ln（Cs/Cb）深镀能力深镀能力39 电极表面附近铜离子浓度分布：Cs电极表面铜离子浓度。Cb本体溶液浓度。扩散层厚度。CbXCCs电板 O深镀能力深镀能力40 工作电流密度与极限电流密度： i=nFD iL=nFD D铜离子扩散系数（cm2/s）Cb-CsCb深镀能力深镀能力41 浓度超电势的上升使反应速率减慢： 搅拌可降低扩散层厚度，降低板面的浓度超电势，但孔内 的浓度超电势并没有得到下降； 降低孔内的浓度超电势主要通过增加
18、阴极移动距离及频率， 使孔内镀液流动加强。深镀能力深镀能力42 电势差：电势差： 电流通过镀液时产生电势差； 电势差的影响因素： a. 难度因子L2/d：L2/d与电势差成正比。深镀能力深镀能力43b. 镀液的电导率： 增大镀液的电导率可以降低电势差； 硫酸与电导率的关系 硫酸铜与电导率的关系K (cm2)0.90.70100180H2SO40.5280K (cm2)0.750.650100180CuSO40.55280深镀能力深镀能力44c. 工作电流密度： 工作电流增大时，电势差增大； 当工作电流降到0.5A/dm2时，电势差已几乎可以忽略； 降低电流密度可提高深镀能力，但延长了电镀时间，
19、使生 产效率降低。深镀能力深镀能力45 镀液极化：镀液极化： IS（表面电流）=V/（RS+RP） IH（孔内电流）=V/（RH+RP） RP越大，IS与IH越接近，深镀能力越好。 注：RS表面电阻，RP极化电阻，RH孔内电阻。深镀能力深镀能力46 硫酸铜的增加减小极化电阻； Cl-增加可增加极化电阻； 添加剂对极化的影响在于其在电极表面的吸附： a. 载运剂（Carrier）吸附在高电位区，减缓铜沉积速率； b. 光亮剂增加凹陷区的电镀速率； c. 整平剂：抑制凸出部位的高电位，减缓铜沉积速率。深镀能力深镀能力47 提高深镀能力的方法：提高深镀能力的方法： 降低硫酸铜的含量； 降低电流密度； 增加硫酸浓度； 加强阴极移动； 选择合适添加剂； 采用脉冲电镀设备。深镀能力深镀能力48八、例及缺陷分析八、例及缺陷分析49案例及缺陷分析（续）案例及缺陷分析（续）50
