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喷涂/清洗/表面工程 |
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通孔电镀高温酸性铜工艺 |
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作者：Maria Nikolova |
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许多工业应用中都采用电解铜电镀液。这些电镀液在汽车工业中用于沉积底层以在后期涂装腐蚀防护涂层，还用于电子工业，特别是制造印制电路板(PWB)。
在制造电路板期间，将铜电镀到印制电路板表面的选择部分以及电路板基底材料表面之间的通孔壁体上面。通孔的壁体被镀上金属，因此印制电路板的电路层之间导电。因此，在许多印制电路板和半导体制造工艺中，业界采用电镀作为铜镀金属的主要沉积方法。
使用最广泛的镀铜电解液基于一种硫化铜水成溶液 —— 一种酸性电解液（例如硫酸）以及各种电镀添加剂。镀铜的常用添加剂包括抑制剂/抑制物、抛光剂/加速剂/平整剂。抛光剂/加速剂可以变更成核过程，增强新沉积核心的形成，与现有核心的增长相对。抑制剂/抑制物均匀吸收在阴极表面，由于超电势增加了沉积。平整剂被选择性地吸收在突出部位上面或者平面上面，平整效应是平整核素扩散控制的结果。由于存在卤素离子，可以进一步增强吸收和抑制。还必须严格控制这些有机添加剂的浓度，以达到需要的沉积性能和表面形态。
在大多数情况下，硫酸电镀溶液的推荐工作温度不超过大约27℃，更典型的情况是在室温下进行电镀。因为这些镀铜电解液设计用于室温，因此一般不适于更高温度电镀通孔。在许多情况下，抛光剂在更高温度下进行化学反应，对镀铜不再有效。在其它情况下，与溶液中的湿润剂/抑制剂添加剂一起使用的平整剂会产生问题，导致沉积暗淡的粗糙层，特别是在通孔内部。在更高温度沉积的铜层的热特性受到不良影响，可靠性降低。在电镀之后开展的焊接操作期间失效。
过去几年，在炎热地区制造的印制电路板已经大量增加。为了在这些区域维持需要的温度，一般需要采用冷却剂或其它冷却方法。因此，在这些更热的区域需要简化工艺，以省去使用冷却剂和其它冷却方法，同时仍然达到理想的电镀沉积效果。
本文描述了一种可以在最高40℃ (104)的温度电镀平滑、光亮和平整的铜层的新型直流电工艺。本文中描述的方法可以产生性能优良的微观分布。使用的有机抛光剂可以帮助降低表面与孔洞厚度的比例以及提高铜沉积物的延展性和拉伸强度。另外，沉积铜的热特性卓越。
酸性镀铜浴槽组分
开发的工艺专为生产大量的刚性PWB进行配方。使用了专为制造PWB而建立的基于硫酸盐的镀铜系统。采用这种方法的运营成本低且容易控制。开发的工作目标是实现一种可以耐受高到40℃ (104)的工艺。浴槽组分以及电镀参数参见表1。
HT 100混合剂是湿润剂/抑制剂的一种混合物，目的是提高新浴槽的启动和降低空电镀时间。只用于新混合物和碳处理之后。HT 100抛光剂负责改良铜微粒和降低内部应力。它还具有一种平整效应，可以平滑粗糙的孔洞。HT 100湿润剂是有机添加剂的一种组合物质，用于在电镀工艺期间进行补充。
试验工具
工艺评估中使用的试验工具为1.6毫米厚的板件，上面有各种尺寸的通孔。通孔直径为0.2、0.25、0.35和0.5毫米。工艺流程包括以下操作：
酸清洁：湿润孔洞和清除轻微灰尘。
冲洗微腐蚀 ：腐蚀切割不足以及残余 灰尘，以确保铜与铜的粘接力优良。
冲洗酸浸：电镀之前酸化铜表面。
在1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 ASD的电流密度中进行电镀。溶液温度范围为22－40。
工艺特性
表面外观。从这种电解液实现细粒沉积。孔洞内部的镀铜平滑和平整。在孔洞根部没有观察到薄铜。另外，通孔内部没有测量到电镀折皱或薄弱区域。在孔洞的整个腔内电镀厚度持续一致。
微观分布：通孔。电镀电解液的布散能力对于电镀通孔十分重要。布散能力不良会导致孔洞内部的镀铜厚度不均匀，因此导致元件接触不良。
图1：表面与通孔内部的镀铜厚度
微观分布为孔洞中心镀铜数量的测量数值，为板表面铜厚的百分比，如图1所示。微观分布数值采用以下公式计算：
微观分布 = [(C + D)/2·100]/[(A + B + E + F)/4]
图2和图3显示了在不同电流密度和温度下所得的微观分布数据。在范围而较广的电流密度内测量的分布数值优良。在24-35℃的温度范围内，浴槽的性能持续一致。
图2：1.6毫米厚板件在24℃时测量的HT 100微观分布。
图3：1.6毫米厚板件在35℃时测量的HT 100微观分布。
拉伸强度与延伸率。根据IPC TM-650试验方法手册 2.4.18.1测量镀铜的拉伸强度与延伸率。测量结果参见图4和图5。在所有条件下的电镀符合IPC规格。根据测量结果，提高电流密度将提高拉伸强度，但是提高电流密度却降低延伸率。
图4：在24℃和35℃时测量的拉伸强度。
图5：在24℃和35℃时测量的延伸率
通孔可靠性：热特性。使用根据IPC TM-650 2.6.8执行的焊接震动阻力试验研究电镀板的热特性。焊接震动条件是在288℃浮起六次，每次浮起10秒。所有试验通孔尺寸的热完整性优良。如图6所示，在研究温度范围内没有观察到角落裂纹或桶形裂纹。
图6：6次焊接震动试验之后0.5毫米通孔的横截面。
工艺控制。使用传统的CVS（循环伏安剥离法）分析容易控制添加剂，但是也可以使用Hull（赫尔）槽试验控制浴槽的性能。随着温度的上升，添加剂的消耗变化不大，可以混合有机添加剂以在电镀期间自动配制。
设备。研究了含有空气以及不含空气的溶液搅动，使用了喷射器喷嘴。镀铜的表面特性对于空气搅动或喷射器喷嘴没有区别。
结论
已经配制了一种生产大量刚性PWB的新工艺，这种工艺可以耐受高达40℃ (104)的温度。在高温时达到了优良的效果，但是这种新工艺在更低温度时性能也优良。另外，这种工艺可以与空气或喷射器喷嘴一起使用，电解液可以采用CVS分析或采用Hull（赫尔）槽控制。使用这种系统沉积的铜光亮、平整，增强了微观分布，具有卓越的机械和物理性能，符合IPC标准。
作者简介
MacDermid公司的以下员工为本文作出了贡献：高级研究员Maria Nikolova；金属电镀技术总监Jim Watkowski；金属电镀应用经理Don DeSalvo以及应用工程师Ron Blake。欲了解更多信息，请访问www.macdermid.com。 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(8/26/2009) |
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