电镀铜技术精.ppt

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1、电镀铜电镀铜电镀铜电镀铜技技技技术术术术1第1页，本讲稿共50页 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第2页，本讲稿共50页 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：-33 八、案例及

2、缺陷分析：八、案例及缺陷分析：-493第3页，本讲稿共50页 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第4页，本讲稿共50页 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第5页，本讲稿共50页 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第6页，本讲稿共50页磷铜阳极磷铜阳极磷铜阳极磷铜阳极 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第7页，本讲稿共50页磷铜阳极磷铜阳极磷铜阳极磷铜阳极

4、 Cu+的危害：2Cu+H2SO4 Cu2SO4 Cu2SO4+H2OCu2O（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第8页，本讲稿共50页磷铜阳极磷铜阳极 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第9页，本讲稿共50页磷铜阳极磷铜阳极 铜阳极中含量应该是多少呢？铜阳极

5、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；电阻增加，电压升高，有利H+放电，容易形成针孔。10第10页，本讲稿共50页磷铜阳极磷铜阳极 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第11页，本讲稿共50页硫酸铜硫酸铜/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

6、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，效率降低，镀层延展性 下降。12第12页，本讲稿共50页氯离子氯离子 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第13页，本讲稿共50页氯离子过高如何处理氯离子过高如何处理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 Ag2CO

7、3：1g 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第14页，本讲稿共50页添加剂添加剂添加剂添加剂 添加剂一般分为光泽剂与辅助剂。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第15页，本讲稿共50页添加剂添加剂添加剂添加剂 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，

8、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第16页，本讲稿共50页添加剂添加剂添加剂添加剂 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第17页，本讲稿共50页 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

9、 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第18页，本讲稿共50页 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/dm2 （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第19页，本讲稿共50页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

10、烧焦。20第20页，本讲稿共50页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第21页，本讲稿共50页操作条件的影响操作条件的影响 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第22页，本讲稿共50页 电镀铜的主要设备为：（以龙门式垂直挂镀线

11、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第23页，本讲稿共50页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

12、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第24页，本讲稿共50页搅拌方式的介绍搅拌方式的介绍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第25页，本讲稿共50页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 Phase 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，

13、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第26页，本讲稿共50页整流机整流机 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第27页，本讲稿共50页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。TFTRIRI

14、FTI波形示意图28第28页，本讲稿共50页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第29页，本讲稿共50页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，需通过与空气中的氧气 发生反应后，以活性碳过滤除去。30第30页，

15、本讲稿共50页 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第31页，本讲稿共50页 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 方方 法（续）法（续）32第3

16、2页，本讲稿共50页 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第33页，本讲稿共50页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，防

17、止局部过厚；阴极夹应均匀排布，接触良好。34第34页，本讲稿共50页深镀能力深镀能力 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第35页，本讲稿共50页硫酸铜含量越高，镀液粘度越大。深镀能力深镀能力深镀能力深镀能力 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第36页，本讲稿共50页深镀能力深镀能力 孔内流动状态分布：管进口段沿截面的流速分布：37第37页，本讲稿共50页 管两端压力差与流速关系：PN/m2610311030.21.01.8u(m/s)L=2cmd=0.5mmPN/m26103

18、11030.21.01.8u(m/s)L=6cmL=3cmL=1.5cm流速u，管两端压力差P管长度增加流速迅速减小深镀能力深镀能力38第38页，本讲稿共50页 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第39页，本讲稿共50页 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深镀能力深镀能力深镀能力深镀能力40第40页，本讲稿共50页 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-Cs

19、Cb深镀能力深镀能力41第41页，本讲稿共50页 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第42页，本讲稿共50页 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43第43页，本讲稿共50页b.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.

20、750.650100180CuSO40.55280深镀能力深镀能力44第44页，本讲稿共50页c.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，使生 产效率降低。深镀能力深镀能力深镀能力深镀能力45第45页，本讲稿共50页 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。深镀能力深镀能力深镀能力深镀能力46第46页，本讲稿共50页 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第47页，本讲稿共50页 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第48页，本讲稿共50页八、例及缺陷分析八、例及缺陷分析49第49页，本讲稿共50页案例及缺陷分析（续）案例及缺陷分析（续）50第50页，本讲稿共50页