电镀铜工艺-专业介绍.ppt

电 镀 铜 工 艺 专业介绍,电镀铜工艺,铜的特性 铜,元素符号Cu,原子量63.5,密度8.89克/立方厘米,Cu2+的电化当量1.186克/安时. 铜具有良好的导电性和良好的机械性能. 铜容易活化,能够与其他金属镀层形成良好的金属-金属间键合,从而获得镀层间的良好结合力.,电镀铜工艺的功能,电镀铜工艺 在化学沉铜层上通过电解方法沉积金属铜,以提供足够的导电性/厚度及防止导电电路出现发热和机械缺陷.,电镀铜工艺的功能,电镀铜层的作用 作为孔的化学沉铜层的加厚层,通过全板镀铜达到厚度5-8微米,称为加厚铜. 作为图形电镀锡或镍的底层,其厚度可达20-25微米,称为图形镀铜.,（1）鍍層均勻、細致、平整、無麻點、無針孔，有良好外 觀的光亮或半光亮鍍層。 （2）鍍層厚度均勻，板面鍍層厚度與孔壁鍍層厚度之比接 近1：1。 （3）鍍層與銅基體結合牢固，在鍍後和後續工序的加工過程 中，不會出現起泡、起皮等現象。 （4）鍍層導電性好 （5）鍍層柔軟性好，延伸率不低于10%，抗張強度20-50Kg/mm2, 以保證在後工序波峰焊和熱風整平時，不至于固環氧樹脂 基材上銅鍍層的膨脹系數不同導致鍍銅層産生縱向斷裂 （環氧樹脂膨脹系數12.810-5 / ,銅的膨脹系數0.68 10-5 /),对铜镀层的基本要求,（1）有良好的分散能力和深鍍能力，即使在很低的電流 密度下，也能得到均勻細致的鍍層，以保證在印制 板的板厚孔徑比較大時，仍能達Ts:Th接近1：1。 （2）電流密度範圍寬，如在赫爾槽2A下，全板鍍層均勻 一致。 （3）鍍液穩定，便于維護，對雜質的容忍性高，對溫度 的容忍性高。 （4）鍍液對覆銅箔板無傷害,对镀铜液的基本要求,电镀铜的原理,电镀液组成(H2O+CuSO4.5H2O+H2SO4+Cl-+添加剂),离子交换,直流 整流器,ne-,ne-,电镀上铜层 阴极 (受镀物件) 镀槽,阳极,Cu Cu2+ + 2e-,Cu2+ + 2e- Cu,硫酸鹽酸性鍍銅的機理,電極反應 標准電極電位 陰極： Cu2+ +2eCu 。 Cu2+ / Cu = +0.34V 副反應 Cu2+ + eCu 。 Cu2+ / Cu = +0.15V Cu+ + eCu 。 Cu+ / Cu = +0.51V 陽極： Cu -2e Cu2+ Cu - e Cu+ 2Cu+ + 1/2O2 + 2H+ 2Cu2+ + H2O 2Cu+ + 2 H2O 2CuOH + 2H+ 2Cu+ Cu2+ + Cu,Cu2O + H2O,副反應,酸性鍍銅液各成分及特性簡介, 酸性鍍銅液成分 硫酸銅（CuSO4.5H2O) 硫酸 (H2SO4) 氯離子（Cl-) 添加劑,酸性鍍銅液各成分功能, CuSO4.5H2O ：主要作用是提供電鍍所需Cu2及提高導電能力 H2SO4 ：主要作用是提高鍍液導電性能，提高通孔電鍍的均勻性。 Cl- ：主要作用是幫助陽極溶解，協助改善銅的析出，結晶。 添加劑 ：主要作用是改善均鍍和深鍍性能，改善鍍層結晶細密性。,酸性鍍銅液中各成分含量對電鍍效果的影響, CuSO4.5H2O ：濃度太低，高電流區鍍層易燒焦； 濃度太高，鍍液分散能力會降低。 H2SO4 ：濃度太低，溶液導電性差，鍍液分散能力差。 濃度太高，降低Cu2+的遷移率，電流效率反而降低，並對銅 鍍層的延伸率不利。 Cl- ：濃度太低，鍍層出現台階狀的粗糙鍍層，易出現針孔和燒焦； 濃度太高，導致陽極鈍化，鍍層失去光澤。 添加劑 ：（後面專題介紹）,操作條件對酸性鍍銅效果的影響,溫度 溫度升高，電極反應速度加快，允許電流密度提高，鍍層沉 積速度加快，但加速添加劑分解會增加添加劑消耗，鍍層結 晶粗糙，亮度降低。 溫度降低，允許電流密度降低。高電流區容易燒焦。防止鍍 液升溫過高方法：鍍液負荷不大于0.2A/L，選擇導電性能優 良的挂具，減少電能損耗。配合冷水機，控制鍍液溫度。 電流密度 提高電流密度，可以提高鍍層沉積速率，但應注意其鍍層 厚度分布變差。 攪拌 陰極移動：陰極移動是通過陰極杆的往複運動來實現 工件的移動。移動方向與陽極成一定角度。陰極移動振幅 5075mm，移動頻率1015次/分,振动与摆动,振动与摆动的主要作用是降低diffusion layer的厚度（增大表面张力），赶走孔内的气泡，加速孔内镀液的补充与更新，提升镀件品质。 振幅 200m 振频 根据实际情况调节，一般振30s停20s 摆幅 56cm 摆频 1012次/分, 空氣攪拌 無油壓縮空氣流量0.3-0.8m3 / min.m2 打氣管距槽底38cm，氣孔直徑2 mm孔間距80130 mm。 孔中心線與垂直方向成45o角。 過濾 PP濾芯、510m過濾精度、流量25次循環/小時 陽極 磷銅陽極、含磷0.04-0.065%,為何不用電解銅或無氧銅作陽极?, 銅粉多，陽极泥多。 鍍層易產生毛刺和粗糙。 銅离子濃度逐漸升高，難以控制。 添加劑消耗量大。 陽极利用率低。,磷銅陽极的特色, 通電后磷銅表面形成一層黑色(或棕黑)的薄膜 黑色(或棕黑色)薄膜為Cu3P又稱磷銅陽极膜 磷銅陽极膜的作用 陽极膜本身對(Cu+-eCu2+)反應有催化、加速作用，從而 減少Cu+的積累。 陽极膜形成后能抑制Cu+的繼續產生 陽极膜的電導率為1.5X104 -1 cm-1具有金屬導電性 磷銅較純銅陽极化小(1A/dm2 P0.04-0.065%磷銅的陽极化 比無氧銅低50mv-80mv)不會導致陽极钝化。 陽极膜會使微小晶粒從陽級脫落的現象大大減少 陽极膜在一定程度上阻止了銅陽极的過快溶解,磷銅陽极的特色,当阳极电流密度0.4-1.5A/dm2时，阳极含磷量与黑膜生成量成线性关系，当含P0.035%-0.0.75%时，阳极铜的利用率最高，泥渣生成量最少。当P含量太低0.005%以下，虽有黑膜生成但是太薄，不足以保护铜阳极，当P含量太高时，黑 膜太厚，阳极溶解不好，阳极 泥渣多，镀液中铜浓度下降，添加剂消耗增加。, 圆形钛篮铜阳极表面积估算方法 dlf /2 =3.14 d=钛篮直径 l=钛篮长度 f=系数 方形钛篮铜阳极表面积估算方法 1.33lwf l=钛篮长度 w=钛篮宽度 f=系数 f与铜球直径有关: 直径=12mm f=2.2 直径=15mm f=2.0 直径=25mm f=1.7 直径=28mm f=1.6 直径=38mm f=1.2,电镀铜阳极表面积估算方法,磷铜阳极材料要求规格, 主成份 Cu : 99.9% min P : 0.04-0.065% 杂质 Fe : 0.003%max S : 0.003%max Pb : 0.002%max Sb : 0.002%max Ni : 0.002%max As : 0.001%max,影響陽极溶解的因素：, 陽极面積(即陽极電流密度控制在0.5ASD-2.5ASD之間) 陽极袋 (聚丙烯) 陽极及陽极袋的清洗方法和頻率,阳极袋与阳极膜,阳极袋 1.阳极袋可用PP材质，使用之前要用稀硫酸浸泡一段时间。 2.正常的阳极膜是黑色的，若呈棕色时表示阳极含磷不够，呈银灰色时表示槽液中含氯离子太多而生成了氯化铜。但这只是一般判断，尚须槽液分析辅助。 3.阳极袋的功用在于防止阳极膜的碎屑、碎铜粒掉落槽中，更换频率约为半年一次，但只要发现有破损应立即更换,添加剂对电镀铜工艺的影响, 载体 - 吸附到所有受镀表面, 增加 表面 阻抗,从而改变分布不 良情况. 抑制沉积速率 整平剂 - 选择性地吸附到受镀表面 抑制沉积速率,各添加剂相互制约地起作用., 光亮剂 - 选择性地吸附到受镀表面, 降低表面阻抗,从而恶化分 布不良情况. 提高沉积速率 氯离子 - 增强添加剂的吸附,电镀层的光亮度 载体 (c) /光亮剂 (b)的机理,载体(c)快速地吸附到所有受镀表面并均一地抑制电沉积 光亮剂(b)吸附于低电流密度区并提高沉积速率. 载体(c)和光亮剂(b)的交互作用导致产生均匀的表面光亮度,b,b,b,b,b,b,b,cb,cb,c,c,c,cb,c,c,cb,c,c,cb,c,c,cb,c,c,cb,cb,cb,b,电镀的整平性能 光亮剂(b),载体(c),整平剂(l)的机理,载体抑制沉积而光亮剂加速沉积 整平剂抑制凸出区域的沉积 整平剂扩展了光亮剂的控制范围,b c c c c c b c c c c,c c b,c c,c c,b,b,b,c c,c b c c b,b c b c b c b c b c b,b c b,c b,c b,b,b,b,c b,c b c b c,l b c c c b c c b l l,c c b,l l,l c,b,b,b,l c,c b c b b,光亮剂和载体,光亮剂/载体/整平剂的混合,过量光亮剂, 电镀铜溶液 电镀铜溶液的电导率 硫酸的浓度 温度 硫酸铜浓度 添加剂 板厚度(L),孔径(d) 搅拌: 提高电流密度 表面分布（均匀性）也受分散能力影响.,电镀铜溶液的分散能力(Throwing Power),电镀铜层的物理特性, 延展性 当镀层厚度为50而镀层延展性减少18-20%时,需要采用活性炭处理以除去杂质(有机分解物) 抗张强度 通常 kg/mm2,电镀铜溶液的控制,五水硫酸铜浓度（60-90g/L） 硫酸浓度 （180-220 g/L ） 氯离子浓度（40-80ml/L） 槽液温度（20-30） 用CVS分析添加剂GT-100浓度 镀层的物理特性(延展性/抗张强度), 分析项目,上述项目须定期分析,并维持在最佳范围内生产,电镀铜溶液的控制, 赫尔槽试验 (Hull Cell Test),阴极-,阳极+, 赫尔槽结构示意图,1升容积 267ml容积 AB 119mm 47.6mm BC 127mm 101.7mm CD 213mm 127mm DA 86mm 63.5mm DE 81mm 63.5mm,A,B,C,D,E,F,电镀铜溶液的控制, 赫尔槽试验(Hull Cell Test)参数 电流: 1-2A 时间: 5分钟或者10分钟 搅拌: 空气搅拌 温度: 室温, 高電流部有针点，潤濕劑(表面活性劑)不足 工作区（3-4cm）和高電流部发雾，光澤不足 高電流部燒焦的寬度（小于1.5cm）較大，金屬成分不足 高电流密度区呈条纹状沉积,整个试片光亮度降低,盐酸不足,+,+,+,+,+,+,+,+,燒焦,凹坑,模糊,電流密度,高,低,圖7.2 霍爾槽的板件例子,电镀铜溶液的控制, 赫尔槽试验,电镀铜溶液的控制, 延展性, 用不锈钢片在镀槽或延展性测试槽镀上大于2mil 铜片. 再以130oC把铜片烘2小时. 用延展性测试机进行测试.,电镀铜溶液的控制, 热冲击测试, 以120oC烘板4小时. 把板浸入288oC铅锡炉10秒. 以金相切片方法检查有否铜断裂.,電鍍液維護 電鍍液会發生成分變化(變質)的。爲了調整、恢複原狀，需要補充藥品。如果有雜質的沉積，就要除掉雜質(再生)，到了不能使用時就要全量或者部分報廢，更換新鍍液。鍍液的再生采用(1)活性碳處理；(2)弱電解(拖缸)處理等。補充藥品方法有 (1) 分析補充；(2)耗量補充（根据做板量自动添加）兩種。,电镀铜溶液的控制,PCB电镀铜工艺过程, 全板电镀工艺过程 注：一次铜制程前板面不脏的话可以不用酸性清洁,上 料,酸性清洁剂,双水洗,浸 酸,电镀铜,下 料,双水洗,剥挂架,双水洗,上 料, 各工序功能, 酸性清潔劑 除去表面污漬 提高銅面親水性能 浸酸 活化待電鍍銅表面并除去铜面氧化 電鍍銅 提高孔內及線路銅层厚度，增加導電性能。 剝挂架 剝除挂架上鍍上的銅,全板电镀工艺过程, 鍍銅層的作用 作爲化學鍍銅的加厚鍍層和作爲圖形電鍍的底鍍層。 化學鍍銅層一般0.5m2 m，必須經過電鍍銅後才可進行 下一步加工，加厚銅是全板電鍍，厚度一般在58 m。,全板电镀工艺过程,全板电镀工艺过程操作条件, 酸性清洁剂-210,: 酸性清洁剂P20 ：4%-6% 温度 : 35oC ( 30-40oC) 处理时间 : 5分钟 ( 4-6分钟),全板电镀工艺过程操作条件, 浸 酸, 硫酸 (96%) : 5%-10% 温度 : 室温 ( 20-40oC) 处理时间 : 1分钟 ( 0.5-2分钟),全板电镀工艺过程操作条件, 电镀铜, 五水硫酸铜 : 70g/l (60-90g/l) 硫酸 : 200g/L (180-220g/l) 氯离子 : 60ppm (40-80ppm) 镀铜添加剂GT -100 : 14ml/l (整平剂8-20ml/l；光泽 剂0. 1-0.8ml/l) 温度 : 25oC ( 20-30oC) 处理时间 : 15分钟以上 ( 根据所需厚度及电流密度),电镀铜镀层厚度估算方法,电镀铜镀层厚度估算方法(mil) = 0.0087*电镀阴极电流密度(ASD) X 电镀时间(分钟) 1 mil = 25.4 m,PCB电镀铜工艺过程, 图形电镀铜/锡工艺过程,图形电镀铜工艺过程,图形电镀铜工艺过程,图形电镀铜工艺过程,图形电镀铜工艺过程,图形电镀铜工艺过程, 预浸酸(10% H2SO4) 减轻前处理清洗不佳对电镀锡溶液之污染. 保持电镀锡溶液中硫酸含量之稳定。,图形电镀铜工艺过程操作条件, 酸性清洁剂P20, 酸性清洁剂P20 : 4%-6% 温度 : 40oC ( 35-45oC) 处理时间 : 5分钟 ( 4-6分钟),图形电镀铜工艺过程操作条件, 微 蚀, 过硫酸钠 : 100g/l (90-110g/l) 硫酸 (96%) : 35ml/l (20-50ml/l) 温度 : 2