电镀铜延时影响研究及探讨

发布日期:2016-08-12

  摘要 本文介绍印制电路板在电镀过程中,因种种原因暂停程序,导致在铜缸停留超过预设定时间,保护电流时间过长而引发的品质隐患。给予印制电路板制造厂商参考,从而引起重视,预防电镀品质隐患及问题的发生。

  关键词  电镀铜;延时;CVS;印制电路板。

  一、前言

  电镀是多层印制电路板制造过程中的一道关键工序,其电镀品质的好坏往往决定了印制电路板在后续使用过程中品质是否稳定的关键因素。随着电镀工序控制参数的日趋成熟稳定,电镀品质控制的诸多因素都能被绝大部分印制电路制造厂商掌握并较好的控制,但电镀延时(电镀时间超过预设定时间)控制往往被忽略。本文详细阐述了电镀延时引起电镀添加剂各组分的消耗不平衡,从而导致电镀品质异常的原理、过程及预防,供同行参考。

  二、电镀延时定义、产生及应对措施

2.1 电镀延时定义

  电镀延时,就是指实际电镀时间超过了预设定的电镀时间。如铜缸原设定电镀铜60分钟,可能因为种种原因导致实际电镀至70分钟才出缸,也就是说板在铜缸内延时了10分钟。

  2.2 电镀延时的产生

  电镀延时产生的主要原因如下:

  (a)程序设定不当,造成上板时间不足,员工频繁将程序设定为手动控制;

  (b)铜缸个数过多,导致周期时间超短,上下板时间不够,导致每个周期都打暂停;

  (c)运行过程中设备故障(如天车坏);

  (d)电镀铜缸内有板,但人为停机(轮班,上下班交接等);

  (e)不同的电铜时间板混合生产。

  2.3 电镀延时的应对措施

  电镀延时一般采取保护电流的方式,大部分自动电镀线的设定铜缸保护电流有如下几种:5%,10%,15%,20%等。

  哪种条件较好?5%太小,不建议,大多数选取10%或15%。

  例:电镀铜用20ASF电流密度生产,总电流为400A,用10%的保护电流,则最后的延时电流密度为2ASF,即保护电流为40A。

  三、电镀延时对电镀添加剂的影响

  3.1 电镀添加剂的三种主要组成及各组分作用

  无电镀添加剂时,镀层脆性高,表面毛刺。如图1所示:

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  图1  无电镀添加剂电镀

  3.1.1 光亮剂(Brightener)

  主要为含硫化合物,在酸性镀铜时与Cl-合作,吸附在待镀体表面负电性较弱位置,起到去极化作用,从而加速镀铜。电镀过程中会形成难溶的Cu-S共存于镀层中,改善原来不规则的铜表面,形成半不定形式的微晶态,使原子按顺序排列,光泽性增加。微晶态有利于铜离子在晶界周围滑动,使低电流的凹陷区域也开始沉积,但凸起部分的沉积速率可能更快。空气搅拌会对表面凸凹情况有改变,提高镀层光泽性,同时抑制亚铜离子(Cu)或铜粉产生。如图2所示:

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  图2  光亮剂工作原理

  3.1.2 载运剂( Carrier)

  聚醚类有机物,分子量约在5000~15000之间,这类化合物可协助光泽剂前往阴极凹陷各处分布,故称为载运剂,但必须在氯离子的协助下才能发挥作用。分子量小的载运剂容易留在水中,分子量大的载运剂容易吸附在负极表面。吸附在负极表面的载运剂对电镀有一定的阻止作用,也称抑制剂,正是这种阻止作用可使镀层更细致。如图3所示:

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  图3  载运剂工作原理

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  图4  载运剂协助铜原子规则排列与生长

  3.1.3 整平剂(Leveler)

  常为聚胺类,在酸性溶液中有很强的正电性,容易吸附在阴极的负电性较强的区域(凸起位置)从而抑制该处的电镀,起到整平作用。如图5所示:

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  图5  整平剂工作原理

  图1,图2,图3,图4,图5均取自于Shiply 文献

  3.2 电镀添加剂消耗的主要因素

  众所周知,电镀添加剂在电解时会产生一定的消耗,因为电镀添加剂在金属离子放电的电位区可被电极吸附,有机分子被电极吸附与电极的表面电荷密度有关,因此电镀添加剂的消耗可以通过累计功耗来衡量,通常采用KAH的方式自动添加。

  从前面介绍的理论可以知道,电镀添加剂主要含有三种主要成分,其各自的吸附理论和所处位置是有所差异的,因此功耗是影响消耗的主要因素,各组分在不同功耗下的消耗是存在一定差异的。

  3.2.1保护电流密度下,电镀添加剂各组分的消耗:

  在一个电镀添加剂正常含量体系中,连续使用2ASF电流密度电解,按正常功耗添加,电镀添加剂的各成分含量变化如下,光亮剂(B)、整平剂(L)的消耗是正常电流密度消耗的6-8倍,如下图6所示:

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  图6 保护电流密度下,电镀添加剂各组分的消耗情况

  保护电流一般都处于低电流密度,5%(1ASF),10%(2ASF),这种低电流密度不在普通通孔电镀的光剂的电流密度工作区域(龙门线一般是10-30ASF,VCP线是10-40ASF),即使是专做背板等高纵横比的光剂,此类光剂的低电流密度区域一般在6-10ASF,电镀时间延长到120-180分钟。光剂中B、C、L的选型都是基于其工作范围的电流密度的尽量的阴极极化从而得到细密结晶镀层而最终得到的。

  3.2.2正常电流密度下,电镀添加剂各组分平衡失调的情况下,光亮剂B和整平剂L的消耗:

  表1 正常电流密度下,电镀添加剂失调后各组分的消耗情况

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  光剂组分中整平剂L是和光亮剂B一起协同作用,互相牵制,才会得到良好的镀层,当保护电流时间过长,整平剂L被过度消耗后,B和L的平衡被打破,就会出现镀层不良。

  四、电镀延时对镀件的影响及应对措施

  4.1 对镀件的影响

  保护电流处于低电流密度的区间,此时的极化不够,时间长的话,得到的镀层粗糙,发红,这个只是表面现象,实际上,在如此低的电流电压下,光剂成分中B、C、L,特别是B和L的消耗不平衡,L的消耗速度是B的四倍,通过长时间的累积,从量变发生质变,B和L的平衡状态就会被打破,而多数的光剂都是把B、C、L三组分按一定比率整合在一起按照正常工作电流密度消耗的比率添加的,保护电流的时间累积的越长,消耗的不平衡会量变到质变,最终会表现出孔口发白,严重的会出现延展性下降,出现孔铜断裂等可靠性问题。

  镀层粗糙及孔口发白图片:

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  图7 镀层粗糙及孔口发白SEM图片

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图8 正常镀层SEM图片

  4.2 应对措施

  氯离子的作用是帮助阳极溶解,同时具有一定的整平作用,氯离子和整平剂一起协同,可以增大阴极极化,从而得到更细腻的镀层。在保护电流长时间累积时,整平剂越来越少,如果同时发生氯离子补充不及时,就是说,同时发生氯离子不够的情况下,更加容易发生镀层粗糙,镀层延展性下降的情况。请及时补充铜缸中氯离子和其它组分在正常工艺控制范围内。

  合理设计程序时间,确保上下板有足够的时间,避免频繁转换为手动控制程序,尽量减少异常停机时间。

  为方便操作,目前市面流行的电镀铜添加剂大多数为单一型,也就是将光亮剂、抑制剂和整平剂按特定的比例混合在一起,按消耗功率自动添加。但针对高端产品,为避免添加剂组分失调对产品产生不良影响,部分印制电路化学品提供商特将电镀铜添加剂按三组分分别添加,并辅助CVS分析各组分含量,以便更好的控制铜缸中电镀添加剂各组分含量在控制范围。

  CVS(循环伏安溶出分析)设备及样品分析结果图片:

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  图9 CVS电镀添加剂专用分析系统图片   

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图10 CVS分析电镀添加剂中光亮剂组分

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图11 CVS分析电镀添加剂中抑制剂组分

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图12 CVS分析电镀添加剂中整平剂组分

  五、总结及探讨

  电镀铜延时在实际生产操作过程中,或多或少的存在,不可完全避免,印制电路制造商需要从发生电镀延时的多个因素中分析自身实际情况,预防和控制电镀延时尽量少发生或不发生,并需要定期对电镀槽药水进行哈氏槽分析,及时了解电镀添加剂含量的变化。

  哈氏槽分析只能对电镀添加剂粗略的定性分析,随着科学技术的不断发展进步,CVS电镀添加剂专用分析仪在印制电路制造商和化学品制造商中逐步普及,能快速的分析电镀添加剂各组分的含量,从而确保电镀铜品质。

  印制电路化学品生产商针对高端产品,将相应电镀添加剂分为三组分分别添加,并辅助CVS分析仪进行定期和及时的分析,从而能更好的控制电镀铜缸中添加剂各组分的实际含量,有效的避免了镀件因添加剂失调而引发的品质问题发生。

  参考文献:

  [1]林金堵,梁志立,邬宁彪,龚永林,陈培良.现代印制电路先进技术(第三版).中国印制电路行业协会(CPCA),印制电路信息杂志社,2013,2.

  [2]Shiply 文献。

  第一作者简介

  吴荣萱,男,毕业于中国科学院盐湖研究所,硕士。毕业后一直从事于印制电路工艺技术管理工作,现任深圳市365bet体育在线科技有限公司总工程师。

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