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电镀铜工艺.ppt

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镀铜 工艺
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电 镀 铜 工 艺 苏州麦特隆特用化学品有限公司,电镀铜工艺,铜的特性铜,元素符号Cu,原子量63.5,密度8.89克/立方厘米,Cu2+的电化当量1.186克/安时.铜具有良好的导电性和良好的机械性能.铜容易活化,能够与其他金属镀层形成良好的金属--金属间键合,从而获得镀层间的良好结合力.,电镀铜工艺的功能,电镀铜工艺在化学沉铜层上通过电解方法沉积金属铜,以提供足够的导电性/厚度及防止导电电路出现发热和机械缺陷.,电镀铜工艺的功能,电镀铜层的作用作为孔的化学沉铜层的加厚层,通过全板镀铜达到厚度5-8微米,称为加厚铜.作为图形电镀锡或镍的底层,其厚度可达20-25微米,称为图形镀铜.,,,(1)镀层均匀、细致、平整、无麻点、无针孔,有良好外     观的光亮或半光亮镀层。  (2)镀层厚度均匀,板面镀层厚度与孔壁镀层厚度之比接     近1:1。  (3)镀层与铜基体结合牢固,在镀後和後续工序的加工过程     中,不会出现起泡、起皮等现象。  (4)镀层导电性好  (5)镀层柔软性好,延伸率不低于10%,抗张强度20-50Kg/mm2, 以保证在後工序波峰焊和热风整平时,不至于固环氧树脂 基材上铜镀层的膨胀系数不同导致镀铜层産生纵向断裂 (环氧树脂膨胀系数12.8?10-5 /℃ ,铜的膨胀系数0.68 ? 10-5 /℃),对铜镀层的基本要求,,(1)有良好的分散能力和深镀能力,即使在很低的电流 密度下,也能得到均匀细致的镀层,以保证在印制 板的板厚孔径比较大时,仍能达Ts:Th接近1:1。  (2)电流密度范围宽,如在赫尔槽2A下,全板镀层均匀 一致。  (3)镀液稳定,便于维护,对杂质的容忍性高,对温度 的容忍性高。  (4)镀液对覆铜箔板无伤害,对镀铜液的基本要求,电镀铜的原理,,,,,,,,电镀液组成(H2O+CuSO4.5H2O+H2SO4+Cl-+添加剂),,,,,,,,离子交换,,,,,,,,,直流整流器,ne-,ne-,电镀上铜层阴极(受镀物件)镀槽,阳极,,,Cu Cu2+ + 2e-,,Cu2+ + 2e- Cu,,,硫酸盐酸性镀铜的机理,电极反应         标准电极电位阴极: Cu2+ +2e?Cu    ?。  Cu2+ /  Cu = +0.34V副反应  Cu2+ + e?Cu+ ?。  Cu2+ /  Cu + = +0.15V     Cu+ + e?Cu   ?。  Cu+ /  Cu = +0.51V阳极: Cu -2e ? Cu2+ Cu - e ? Cu+ 2Cu+ + 1/2O2 + 2H+ ?2Cu2+ + H2O 2Cu+ + 2 H2O ?2CuOH + 2H+ 2Cu+ ? Cu2+ + Cu,,,Cu2O + H2O,,副反应,,酸性镀铜液各成分及特性简介,? 酸性镀铜液成分 — 硫酸铜(CuSO4.5H2O) — 硫酸 (H2SO4) — 氯离子(Cl-) — 添加剂,,酸性镀铜液各成分功能,— CuSO4.5H2O :主要作用是提供电镀所需Cu2+及提高导电能力— H2SO4     :主要作用是提高镀液导电性能,提高通孔电镀的均匀性。— Cl-    :主要作用是帮助阳极溶解,协助改善铜的析出,结晶。— 添加剂  :主要作用是改善均镀和深镀性能,改善镀层结晶细密性。,,酸性镀铜液中各成分含量对电镀效果的影响,— CuSO4.5H2O :浓度太低,高电流区镀层易烧焦; 浓度太高,镀液分散能力会降低。— H2SO4     :浓度太低,溶液导电性差,镀液分散能力差。 浓度太高,降低Cu2+的迁移率,电流效率反而降低,并对铜 镀层的延伸率不利。— Cl-    :浓度太低,镀层出现台阶状的粗糙镀层,易出现针孔和烧焦;       浓度太高,导致阳极钝化,镀层失去光泽。— 添加剂  :(後面专题介绍),,操作条件对酸性镀铜效果的影响,?温度   — 温度升高,电极反应速度加快,允许电流密度提高,镀层沉 积速度加快,但加速添加剂分解会增加添加剂消耗,镀层结 晶粗糙,亮度降低。 — 温度降低,允许电流密度降低。高电流区容易烧焦。防止镀 液升温过高方法:镀液负荷不大于0.2A/L,选择导电性能优 良的挂具,减少电能损耗。配合冷水机,控制镀液温度。?电流密度  — 提高电流密度,可以提高镀层沉积速率,但应注意其镀层   厚度分布变差。?搅拌  — 阴极移动:阴极移动是通过阴极杆的往复运动来实现    工件的移动。移动方向与阳极成一定角度。阴极移动振幅  50-75mm,移动频率10-15次/分,振动与摆动,振动与摆动的主要作用是降低diffusion layer的厚度(增大表面张力),赶走孔内的气泡,加速孔内镀液的补充与更新,提升镀件品质。 振幅 >200μm 振频 根据实际情况调节,一般振30s停20s摆幅 5~6cm 摆频 10~12次/分,,— 空气搅拌   无油压缩空气流量0.3-0.8m3 / min.m2 打气管距槽底3-8cm,气孔直径2 mm孔间距80-130 mm。   孔中心线与垂直方向成45o角。?过滤  PP滤芯、5-10?m过滤精度、流量2-5次循环/小时 ?阳极  磷铜阳极、含磷0.04-0.065%,,为何不用电解铜或无氧铜作阳极???,? 铜粉多,阳极泥多。 ? 镀层易产生毛刺和粗糙。 ? 铜离子浓度逐渐升高,难以控制。 ? 添加剂消耗量大。 ? 阳极利用率低。,,磷铜阳极的特色,? 通电后磷铜表面形成一层黑色(或棕黑)的薄膜? 黑色(或棕黑色)薄膜为Cu3P又称磷铜阳极膜? 磷铜阳极膜的作用 — 阳极膜本身对(Cu+--e→Cu2+)反应有催化、加速作用,从而 减少Cu+的积累。 — 阳极膜形成后能抑制Cu+的继续产生 — 阳极膜的电导率为1.5X104? -1 cm-1具有金属导电性 — 磷铜较纯铜阳极化小(1A/dm2 P0.04-0.065%磷铜的阳极化 比无氧铜低50mv-80mv)不会导致阳极钝化。 — 阳极膜会使微小晶粒从阳级脱落的现象大大减少 — 阳极膜在一定程度上阻止了铜阳极的过快溶解,磷铜阳极的特色,当阳极电流密度0.4-1.5A/dm2时,阳极含磷量与黑膜生成量成线性关系,当含P0.035%-0.0.75%时,阳极铜的利用率最高,泥渣生成量最少。当P含量太低0.005%以下,虽有黑膜生成但是太薄,不足以保护铜阳极,当P含量太高时,黑 膜太厚,阳极溶解不好,阳极 泥渣多,镀液中铜浓度下降,添加剂消耗增加。,? 圆形钛篮铜阳极表面积估算方法— ?dlf /2?=3.14 d=钛篮直径 l=钛篮长度 f=系数? 方形钛篮铜阳极表面积估算方法 — 1.33lwf l=钛篮长度 w=钛篮宽度 f=系数? f与铜球直径有关: 直径=12mm f=2.2 直径=15mm f=2.0 直径=25mm f=1.7 直径=28mm f=1.6 直径=38mm f=1.2,电镀铜阳极表面积估算方法,磷铜阳极材料要求规格,? 主成份Cu : 99.9% minP : 0.04-0.065%? 杂质Fe : 0.003%max S : 0.003%maxPb : 0.002%maxSb : 0.002%maxNi : 0.002%maxAs : 0.001%max,,影响阳极溶解的因素:,? 阳极面积(即阳极电流密度控制在0.5ASD-2.5ASD之间) ? 阳极袋 (聚丙烯) ? 阳极及阳极袋的清洗方法和频率,阳极袋与阳极膜,阳极袋 1.阳极袋可用PP材质,使用之前要用稀硫酸浸泡一段时间。 2.正常的阳极膜是黑色的,若呈棕色时表示阳极含磷不够,呈银灰色时表示槽液中含氯离子太多而生成了氯化铜。但这只是一般判断,尚须槽液分析辅助。 3.阳极袋的功用在于防止阳极膜的碎屑、碎铜粒掉落槽中,更换频率约为半年一次,但只要发现有破损应立即更换,添加剂对电镀铜工艺的影响,? 载体 -吸附到所有受镀表面, 增加 表面 阻抗,从而改变分布不 良情况. 抑制沉积速率? 整平剂 -选择性地吸附到受镀表面 抑制沉积速率,*各添加剂相互制约地起作用.,? 光亮剂 - 选择性地吸附到受镀表面, 降低表面阻抗,从而恶化分 布不良情况. 提高沉积速率? 氯离子 -增强添加剂的吸附,电镀层的光亮度 载体 (c) /光亮剂 (b)的机理,载体(c)快速地吸附到所有受镀表面并均一地抑制电沉积 光亮剂(b)吸附于低电流密度区并提高沉积速率. 载体(c)和光亮剂(b)的交互作用导致产生均匀的表面光亮度,,,,,,,,,,,b,b,b,b,b,b,b,cb,cb,c,c,c,cb,c,c,cb,c,c,cb,c,c,cb,c,c,cb,cb,cb,,b,电镀的整平性能光亮剂(b),载体(c),整平剂(l)的机理,载体抑制沉积而光亮剂加速沉积整平剂抑制凸出区域的沉积整平剂扩展了光亮剂的控制范围,,,,,b c c c c c b c c c c,ccb,cc,,c c,b,b,b,c c,cbccb,,,,,b c b c b c b c b c b,bcb,cb,c b,b,b,b,c b,cbcbc,,,,,l b c c c b c c b l l,ccb,ll,l c,b,b,b,l c,cbcbb,光亮剂和载体,,光亮剂/载体/整平剂的混合,,,,过量光亮剂,? 电镀铜溶液电镀铜溶液的电导率硫酸的浓度温度硫酸铜浓度添加剂板厚度(L),孔径(d)? 搅拌: 提高电流密度? 表面分布(均匀性)也受分散能力影响.,电镀铜溶液的分散能力(Throwing Power),电镀铜层的物理特性,? 延展性当镀层厚度为50μm而镀层延展性减少18-20%时,需要采用活性炭处理以除去杂质(有机分解物)? 抗张强度通常 30~35kg/mm2,电镀铜溶液的控制,五水硫酸铜浓度(60-90g/L)硫酸浓度 (180-220 g/L )氯离子浓度(40-80ml/L)槽液温度(20-30℃)用CVS分析添加剂GT-100浓度镀层的物理特性(延展性/抗张强度),? 分析项目,上述项目须定期分析,并维持在最佳范围内生产,电镀铜溶液的控制,,? 赫尔槽试验 (Hull Cell Test),,,,,,,,,阴极-,阳极+,,,,,,,,,,,,,? 赫尔槽结构示意图,1升容积267ml容积AB 119mm47.6mmBC 127mm101.7mmCD 213mm127mmDA 86mm63.5mmDE 81mm63.5mm,A,B,C,D,E,F,电镀铜溶液的控制,,? 赫尔槽试验(Hull Cell Test)参数 — 电流: 1-2A — 时间: 5分钟或者10分钟 — 搅拌: 空气搅拌 — 温度: 室温,? 高电流部有针点,润湿剂(表面活性剂)不足? 工作区(3-4cm)和高电流部发雾,光泽不足高电流部烧焦的宽度(小于1.5cm)较大,金属成分不足高电流密度区呈条纹状沉积,整个试片光亮度降低,盐酸不足,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+,+,+,+,+,+,+,+,烧焦,凹坑,模糊,电流密度,,,高,低,图7.2 霍尔槽的板件例子,,电镀铜溶液的控制,? 赫尔槽试验,电镀铜溶液的控制,,? 延展性,— 用不锈钢片在镀槽或延展性测试槽镀上大于2mil 铜片.— 再以130oC把铜片烘2小时.— 用延展性测试机进行测试.,电镀铜溶液的控制,,? 热冲击测试,— 以120oC烘板4小时. — 把板浸入288oC铅锡炉10秒. — 以金相切片方法检查有否铜断裂.,,?电镀液维护 电镀液会发生成分变化(变质)的。爲了调整、恢复原状,需要补充药品。如果有杂质的沉积,就要除掉杂质(再生),到了不能使用时就要全量或者部分报废,更换新镀液。镀液的再生采用(1)活性碳处理;(2)弱电解(拖缸)处理等。补充药品方法有(1) 分析补充;(2)耗量补充(根据做板量自动添加)两种。,电镀铜溶液的控制,PCB电镀铜工艺过程,? 全板电镀工艺过程 注:一次铜制程前板面不脏的话可以不用酸性清洁,,上 料,,酸性清洁剂,,双水洗,,浸 酸,,电镀铜,,下 料,双水洗,,,剥挂架,,双水洗,,上 料,,? 各工序功能,— 酸性清洁剂  ? 除去表面污渍  ? 提高铜面亲水性能— 浸酸  ? 活化待电镀铜表面并除去铜面氧化— 电镀铜   ? 提高孔内及线路铜层厚度,增加导电性能。— 剥挂架   ? 剥除挂架上镀上的铜,全板电镀工艺过程,? 镀铜层的作用  — 作爲化学镀铜的加厚镀层和作爲图形电镀的底镀层。  — 化学镀铜层一般0.5μm-2 μm,必须经过电镀铜後才可进行 下一步加工,加厚铜是全板电镀,厚度一般在5-8 μm。,全板电镀工艺过程,全板电镀工艺过程操作条件,? 酸性清洁剂--210,—: 酸性清洁剂P20 :4%-6%— 温度 : 35oC ( 30-40oC)— 处理时间 : 5分钟 ( 4-6分钟),全板电镀工艺过程操作条件,? 浸 酸,— 硫酸 (96%) : 5%-10%— 温度 : 室温 ( 20-40oC)— 处理时间 : 1分钟 ( 0.5-2分钟),全板电镀工艺过程操作条件,? 电镀铜,— 五水硫酸铜 : 70g/l (60-90g/l)— 硫酸 : 200g/L (180-220g/l)— 氯离子 : 60ppm (40-80ppm)— 镀铜添加剂GT -100 : 14ml/l (整平剂8-20ml/l;光泽 剂0. 1-0.8ml/l)— 温度 : 25oC ( 20-30oC)— 处理时间 : 15分钟以上 ( 根据所需厚度及电流密度),电镀铜镀层厚度估算方法,电镀铜镀层厚度估算方法(mil)= 0.0087*电镀阴极电流密度(ASD) X 电镀时间(分钟) 1 mil = 25.4 μm,PCB电镀铜工艺过程,? 图形电镀铜/锡工艺过程,图形电镀铜工艺过程,图形电镀铜工艺过程,图形电镀铜工艺过程,图形电镀铜工艺过程,图形电镀铜工艺过程,? 预浸酸(10% H2SO4)  — 减轻前处理清洗不佳对电镀锡溶液之污染. — 保持电镀锡溶液中硫酸含量之稳定。,图形电镀铜工艺过程操作条件,? 酸性清洁剂—P20,— 酸性清洁剂P20 : 4%-6% — 温度 : 40oC ( 35-45oC)— 处理时间 : 5分钟 ( 4-6分钟),图形电镀铜工艺过程操作条件,? 微 蚀,— 过硫酸钠 : 100g/l (90-110g/l)— 硫酸 (96%) : 35ml/l (20-50ml/l)— 温度 : 25oC ( 20-30oC)— 处理时间 : 1.5分钟 ( 1-2分钟),图形电镀铜工艺过程操作条件,? 酸浸,— 硫酸 (96%) : 8%(5%-10%)— 温度 : 室温 ( 20-40oC)— 处理时间 : 1分钟 ( 0.5-2分钟),图形电镀铜工艺过程操作条件,? 电镀铜 (PCM Plus),— 五水硫酸铜 : 70g/l (60-80g/l)— 硫酸 : 200/l (180-220g/l)— 氯离子 : 50ppm (40-60ppm)— 镀铜添加剂GT -100 : 整平剂15ml/l ,光泽剂0.3ml/l— 温度 : 24oC ( 20-30oC)— 处理时间 :根据所需厚度及电流密度,
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