《电镀铜技术》PPT课件.ppt

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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

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