电镀铜异常导致OSP不上膜探讨和研究

发布日期:2016-08-12

  摘要 本文介绍印制电路板在电镀过程中,因种种原因导致电镀铜层异常,从而引发后制程OSP不上膜或其它品质问题的发生。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;OSP;印制电路板;电镀铜孪晶。

  一、前言

  电镀是印制电路板制造过程中的一道关键工序,电镀品质往往决定了印制电路板在后续过程中品质是否稳定的关键因素。龙门电镀线有多个独立的铜缸,各铜缸一般都属于独立管控状态,也就是说,同一条电镀线,从不同铜缸出来的板,品质会有所差异。生产抽检过程不一定能够完全监控到或及时发现电镀缺陷产品,从而流转到下工序,导致后续表面处理工序OSP不上膜或最终产品发生品质异常。

  二、OSP不上膜定义、产生原因

  2.1 OSP不上膜定义

  OSP是有机可焊保护膜(Organic Solderability Preservative) 的缩写,俗称防氧化或抗氧化。在生产过程中,由于种种原因,导致铜面上未能覆盖或未能完全覆盖一层有机可焊保护膜,称之为OSP不上膜。

  2.2 OSP不上膜的产生原因

  OSP不上膜的原因有多种,原因如下:

  (a) 电镀后板面污染;

  (b) 阻焊后显影不净;

  (c) 阻焊显影后板面污染;

  (d) OSP制程异常;

  (e) 板面胶渍残留;

  (f) 电镀铜异常。

  三、分析过程及解决措施

  3.1 不良产品外观图:

图片1.png

图1 OSP不良产品外观图

  3.2 分析过程:

  先确定铜面是否有覆盖物造成OSP不上膜。仔细检查该料号OSP来料,并追溯到电镀后该型号产品,用十倍放大镜检查铜面状况,并同时做氯化铜试验,未发现有电镀后板面污染、阻焊显影不净或阻焊显影后板面污染和板面胶渍残留等情况发生。

  排查OSP各缸参数及药水是否处于工艺要求控制范围,检查和保养设备与此相关各部位。经比较同一时间段内其它料号的来料,对比试验证实,其它料号OSP上膜均正常。

  经上述两点的分析结果,可得出如下结论:

  (a) 来料铜面无显影不净或污染和其它胶渍残留等覆盖物;

  (b) OSP制程无异常;

  (c) OSP不上膜的原因在铜面本身。

  3.3 不同部位SEM(Scanning Electron Microscope)分析图:

  用十倍放大镜或百倍镜检查铜面外观,我们不能发现OSP不上膜的板与OSP正常板的差异在何处。没关系,我们用先进的SEM设备来一探究竟。

图片2.png

图2 OSP正常板铜面SEM图3000X

图片3.png

图3 OSP正常板铜面SEM图5000X

图片4.png

图4 OSP异常板铜面SEM图3000X

图片5.png

图5 OSP异常板铜面SEM图5000X

  3.4 不同部位EDS(Energy Dispersive Spectrometer)分析图:

图6 OSP正常板铜面EDS分析图

图片7.2.png

图7 OSP异常板铜面EDS分析图

  通过OSP正常位置和异常位置的SEM图比较可得知,铜层表面结晶状态有所差异;

  通过OSP正常位置和异常位置的EDS分析图比较可得知,表面元素相差无几,不存在铜面被污染的可能性。

  由SEM观察到的铜面结晶状况可知,电镀铜出现了品质异常导致后工序OSP不上膜。

  问题发生工序找到后,立即查找此型号产品出自电镀线的缸,并立即暂停此电镀铜缸生产。

  3.5 电镀铜缸分析与处理:

  立即取样分析该铜缸各组分参数,硫酸、硫酸铜和氯离子均处于工艺正常控制参数范围,磷铜球处于正常水平,电源整流器工作正常。

  取铜缸槽液作哈氏槽分析,发现电镀添加剂明显偏少,经查实,为该电镀添加剂自动添加系统泵故障不工作所致。

  立即追溯所有由该铜缸生产出来的产品,并作相关可靠性测试,经热冲击和相关性能测试,产品并无重大品质隐患。

  针对该型号OSP不良板,采用先退去OSP膜后,再做喷砂处理后直接OSP,OSP上膜良好,各项功能性指标均正常。

  此问题能及时发现并立即处理,并未造成产品报废,已经是万幸了,以下发生同样的问题就没这么幸运了。

  四、电镀添加剂对产品品质的影响

  4.1在VCP(Vertical Conveyor Plating)线电镀铜后,出现OSP不上膜、孔口发白和孔口铜断裂

  在OSP制程中,发现VCP线生产某一料号发现有不上膜的情况发生,现场对不良板喷砂处理后仍然不上膜,取该不良板做热冲击实验及做切片分析,发现有孔铜断裂品质异常,经抽查,该料号发生孔口铜断裂的比例为3%左右,如下图所示:

图8 OSP不上膜板孔口断裂

  起初表现为孔口发白,取VCP线槽液,经做哈林槽对比试验结果为铜槽铜光剂多了1/3,见如下哈林槽试验图片:

图片9.png

图9 孔口发白哈林槽对比试验

  镀铜添加剂失调导致孔口发白,但经哈林槽试验,铜添加剂量过多,现场将铜缸药水稀释30%后,停加镀铜添加剂8小时,再次取样测试,发现仅该料号有孔口铜断裂的现象。

  取铜槽药水进行CVS(Cyclic Voltammetric Stripping)分析测试添加剂中各组分含量:

图片10.png

图10 CVS分析仪

图片11.png

图11 光亮剂含量分析结果

图片12.png

  图12 整平剂含量分析结果

图片13.png

图13 抑制剂含量分析结果

  VCP线生产该料号时,铜缸槽液中光剂成份失调产生板面有发白,导致孔口铜断裂异常发生,但调整前发白更严重,并未发生孔口铜断裂,说明镀铜发白不一定会导致断裂,仅有断裂的风险,在何种情况下的镀铜发白才会导致断裂呢?为何仅该料号有OSP不上膜和孔口铜断裂的现象发生呢?我们用哈林槽进行了模拟试验。

  表1 哈林槽模拟试验

1.jpg

备注:CVP-98含光亮剂、整平剂、抑制剂各0.5ml/L;

  CVP-98K含整平剂、抑制剂各1ml/L。

  模拟试验结论:

  从哈林槽模拟试验得知,仅当镀铜添加剂CVP-98在0.05ml/L  CVP-98K:10ml/L时会出现孔口断裂品质异常风险。

  正常开缸为 CVP-98: 8.0ml/L,CVP-98K: 10ml/L。该VCP线铜槽药水添加剂已严重失调,导致有孔口铜断裂的风险。

  4.2孔口铜断裂处SEM分析

图片14.png

图14 孔口铜断裂处SEMX2000 

图片15.png

图15 孔口铜断裂处SEMX3000

图片16.png

图16 孔口正常处SEMX2000

图片17.png

图17 孔口正常处SEMX3000

  从以上图片对比分析,在铜缸药水添加剂出现严重失调的情况下,电镀会产生铜孪晶[2],从而发生孔口铜断裂的风险。

  五、总结及预防

  电镀铜缸中添加剂的含量对电镀品质有着至关重要的作用,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。哈氏槽试验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,能快速的定量分析电镀添加剂各组分的含量,从而确保电镀铜品质。

  印制电路化学品专业生产商针对不断发展的电镀技术要求,已在市场推出部分高端产品应对更高阶产品的电镀需求,将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]陈良,刘镇权,王德槐,程静.电镀铜孪晶形成原因及对产品质量的影响.印制电路信息,2012增刊,总第235期.

  [3]林震庭,Peter Bratin,王福清.用于监控电镀槽液的CVS技术.电子工业专用设备,2007,2.总第145期,专题报道.

  [4]周敏主编.最新印制电路设计制作工艺与故障诊断.排除技术实用手册,吉林音像出版社.

  [5]Huang Q, Baker-O’Neal BC, Parks C, et al. Leveler effect and oscillatory behavior during copper electroplating. Journal of The Electrochemical Society, 2012,159(9):D526-D531.

  [6]王雪涛,刘湘龙,李志东.电镀过程中孔内液体的流动分析.印制电路论文集,2008,8.

  [7]程静,陈良,吴培常.印制板镀铜面OSP抗氧化处理与应用.印制电路信息,2011,8.

  [8]刘仁志.现代电镀手册.化学工业出版社,2010.

  作者简介

  陈良,男,中国印制电路行业协会科学技术委员会委员、标准化工作委员会委员,毕业于湘潭大学化学化工学院,理学士。毕业后长期从事于印制电路工艺技术研究、研发及相关技术管理工作,现任深圳市365bet体育在线科技有限公司项目高级经理。

  通信地址:广东省深圳市宝安区西乡街道宝源路碧湾大厦13楼

  联系电话:0755-29955918   传真:0755-29955997    E-mail: szztw@szztw.com

Copyright ?深圳市365bet体育在线科技有限公司 All Rights Reserved.粤ICP备15101661号-1 技术支持:汇鑫科技