《电镀铜技术》PPT课件.ppt

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1、1,电镀铜技术,Date:10.29,2002Presented by:唐治宇（P&D）,2,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，以便解决问题；提高电镀铜工程师的整体技术水平。,目 的,3,一、制作流程：-4 二、工艺原理：-5 三、物料：-6 四、操作条件：-18 五、机器设备：-23 六、制程控制及接受标准：-31 七、能力研究：-33 八、案例及缺陷分析：-49,内容简介,4,内层制作 钻孔 除胶渣 沉铜 全板电镀 图形转移 图形电镀 褪膜、蚀刻、褪锡 绿油 表面处理,一、制作流程,5,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。阴极

2、：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+Cu2+H2O,二、工 艺 原 理,6,磷铜阳极：镀液中Cu2+的来源。硫酸铜：镀液主盐。硫酸：增加镀液导电性。氯离子：活化阳极并协同添加剂改良镀层品质。添加剂：改良镀层品质。,三、电 镀 物 料,7,磷铜阳极,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+

3、Cu,8,磷铜阳极,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。,9,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。,10,磷铜阳极,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

4、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。,11,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。,12,硫酸铜/硫酸,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 Cu2+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，效率降低，镀层延展性 下降。,13,氯离子,阳极活

5、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。,14,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。,15,添加剂,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

6、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。,16,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+,17,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。,18,较为通用的药

7、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 作 条 件,19,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 作 条 件（续）,20,操作条件的影响,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

8、烧焦。,21,操作条件的影响,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。,22,操作条件的影响,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。,23,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

9、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 器 设 备,24,设备对电镀铜品质影响,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。,25,搅拌方式的介绍,传统方法：垂直板面或斜向1545，13摆幅，总摆幅据孔

10、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。,26,搅拌方式的介绍,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，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。,27,整流机,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。,28,脉冲整流机,脉

11、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。,波形示意图,29,脉冲整流机,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。,30,脉冲整流机,以Shidey PPR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

12、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。,31,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 试 方 法,32,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 试 方 法（续）,33,在电镀铜中研究的主要

13、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？,七、能 力 研 究,34,镀层均匀性,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，防止局部过厚；阴极夹应均匀排布，接触良好。,35,深镀能力,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。,36,硫酸铜含量越高，镀液粘度越大。,深镀能力

14、,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：,37,深镀能力,孔内流动状态分布：管进口段沿截面的流速分布：,38,管两端压力差与流速关系：,P,N/m2,6103,1103,0.2,1.0,1.8,u(m/s),L=2cmd=0.5mm,P,N/m2,6103,1103,0.2,1.0,1.8,u(m/s),L=6cm,L=3cm,L=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,39,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,40,电

15、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。,Cb,X,C,Cs,电板 O,深镀能力,41,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,Cb,深镀能力,42,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,43,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,44,b.镀液的电导率：增大镀液的电导

16、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),0.9,0.7,0,100,180,H2SO4,0.5,280,K(cm2),0.75,0.65,0,100,180,CuSO4,0.55,280,深镀能力,45,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,46,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,47,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,48,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,49,八、例及缺陷分析,50,案例及缺陷分析（续）,