板面电镀均匀性研究

板面电镀均匀性研究
1. 前言
电镀均匀性直接影响着图形转移时蚀刻的均匀程度。

3/3 线的制作已经成为一种瓶颈，如果电镀铜厚不均匀，会对蚀刻的均匀性产生很大的影响，从而造成线幼或间距过小。

印制电路板的高可靠性也对线路的质量和线路的均匀性提出了很高的要求，因此对电镀均匀性的研究显得非常重要[1]。

目前很多PCB生产厂采用传统的单点夹具，上板时板和板之间存在或大或小的间距，每块板上夹具的数量也不相同，分配到每块板上的电流大小也不尽相同，从而导致电镀铜厚的差别很大。

针对该问题，本实验从改变上板方式、夹具间链接方式等问题入手，对影响电镀均匀性的因素进行了研究，并根据实验结果对夹具进行更新设计，通过实验证明新夹具在改善电镀均匀性的合理性。

2. 实验部分
本实验所用板材为双面板，板厚为1mm 左右，板面铜箔厚度为HOZ，裁成尺寸为16″×20″的样板。

2.1 上板：
本实验根据板间距离分成两组，一组为板与板之间留有或大或小的空隙，另一组为板和板之间不留空隙，两块板紧靠。

在每组板中，又设计了四种不同的板间互连方式。

一种为板间不互连，作为对照；一种用铜箔包住板的上端，实现板与板间互连，夹具加在铜箔上；一种是在板下角钻孔后用铜丝将板连在一起；最后一种是将夹具用铜丝连在一起。

实验方案列于表1，各不同实验的上板方式和互连方式如图1 所示。

2.2 电镀：
利用槽式垂直电镀线对上述8 组试板分别电镀，电镀参数为20ASF×48min，电镀过程中用钳表测各夹具上通过的电流。

2.3 数据采集及切片分析：
每Panel 取9 个切片，切片位置如图2 所示。

每个切片X、Y 方向各读取5 个数据，这10 个数据的平均值作为该点的铜厚。

不同位置的铜厚进行板内偏差分析（X、Y 分别分析），9 个切片的平均值作为整板铜厚，整个飞靶上的板作板间偏差分析。

按纵向和横向将9 个位置的板厚分成3 组，分别统计各板板边和中心部位铜厚的差别。

3. 结果与讨论
3.1 常规上板方式表面铜厚结果：
3.1.1 板间有间隙：
方式一是最常用的上板方式，板和板之间会存在或大或小的间隙，电镀时夹具电流及相应铜厚数据如表2 所示：
从表2 中的数据可以发现，每个夹具上的电流差别很大，即流经每块板的电流存在很大差异，通过该板的电流越大，板面电镀铜也就越厚，这可以从电镀时板面和药水之间的离子交换进行探讨。

在药水跟板面进行离子交换时，药水和板面之间会形成一个双电层，该双电层的存在就相当于在板面和药水之间形成了一个电容，该电容的大小跟双电层的厚度有关，当流经板面的电流逐渐增大时，板面对离子的吸引能力也逐渐增强，双电层厚度也就越来越薄，从而导致双电层电容增加，对电流增加的阻碍作用增强，因此板面电镀铜厚会随电流的增加而增加[2]，但不存在线性关系。

整个电镀体系可用图3 的等效电流来表示。

在电镀过程中，影响电镀电流大小的主要因素有夹具和飞靶之间的接触电阻A、夹具电阻B、夹点和板面接触电阻C、板面电阻D、板和药液之间的电阻E 以及导线等其它电阻F。

在整个电路中，每一块板可认为是电流中的一个并联支路，在每一个支路中，飞靶、和夹具之间的接触电阻A 和夹具本身的电阻B 都趋于零，可认为是导体。

但由于夹具夹点截面积很小，在夹头处还有包胶存在，夹具和板面之间的接触电阻C 不仅跟夹点的截面积有关，还跟夹具的夹紧程度、夹点截面的污染程度等有关，是一个无规律的变量，并且是影响板面电镀均匀性的主要因素。

板面为铜箔，电阻D 很小，也可视为零，但板面与药水之间的接触电阻E 不仅跟电镀用电流有关，还跟电镀液的组成、搅拌方式、离子交换过程等因素有关，是一个复杂变量，是影响板电均匀性的主要因素，因此可以将图3 的等效电路简化成
图4 所示等效电路。

在电镀时，线路板接电源的负极，钛篮接电源的正极，因此在板和钛篮之间会形成一电场，结构如图5 所示。

通电以后，铜离子会在板和钛篮所形成的电场中发生定向移动，并在板面发生电子交换而沉积，在电场的中间部位可认为场强是均匀的，而电场两侧场强不均匀，结果如图6 所示。

在常规上板时，由于板和板之间的空隙以及夹具和板之间的接触电阻的存在，都会对电镀均匀性产生影响。

如果阴阳极之间的宽度对应相等时（如图6a 所示），除板边缘电场分布不均匀外，其它部位可认为是匀强电场。

如若板间有空隙的话，就相当于图6c 所示的情况，此时板两侧的电场强度大于中间位置的电场强度。

每块板不同位置电场强度的差异肯定会导致板左右两侧镀铜偏差，从表3 的结果可以证明这一点。

从表中的结果可以发现，板两侧铜的厚度要比中间厚，这主要是因为板间存在间隙，从而导致板边电场分布不均匀(如图6c 所示)，电力线越密的地方，铜离子沉积的速度越快，电
镀铜越厚。

另外，从表3 的结果我们还可以发现，在纵向上，板下端镀层厚度最大，这也是因为板边缘电场分布不均匀导致。

一般情况下，阳极的高度要高于线路板的高度，所以在线路板底部会造成如图6c 所示的情况，即板底部电力线密度会比中间部位密，底部电镀较厚。

3.1.2 板间无间隙：
采用板间无间隙的上板方式，阴极之间不存在空隙，该飞靶的板可认为是一个整体，排除飞靶
两侧板的边缘效应外，在阴极和阳极之间所形成的电场可视作是均匀的，其示意图如图6a 所示，其电镀均匀性会有所提高，实验结果如表4 所示。

从表4 的数据也可以看出板与板间电流偏差仍然很大，但比较表2 和表4 的结果可以发现，紧密排板时整个飞靶上各板间铜厚极差比有空隙时要小，并且电镀标准偏差也有很大程度改善。

对紧密排板时每块板上不同位置的铜厚数据进行分析，结果列于表5。

对比表3 和表5 的结果可以看出，当板和板之间没有空隙时，板左右两侧的镀铜厚度跟中间相差不大，这充分说明了当板间没有空隙时，整个飞靶上的板除了两边两块板存在板边效应外，其它板板面的电场强度近乎相等，即图6a 所示情况。

3.2 铜箔互连方式表面铜厚结果：
用铜箔在板的顶部将板互连之后，可认为夹具和板之间的接触电阻被互连的铜箔消除掉，其等效电路如图7 所示。

3.2.1 板间有间隙：
用同样的方法对板面电镀结果进行分析并列于表6。

从该表可以发现，虽然第8 块板的电流很小，但表现在镀铜厚度上跟其它板相比这种差别表现的并不是很明显，这主要是因为当用铜箔将各板连在一起时，铜箔对流经各个夹具的电流有一个平均的作用，这样会大大提高板和板之间的电镀均匀性。

而没有铜箔时（表2 所示结果），这种差别就表现的很明显。

从表2 和表6 的结果可以发现同样是板间存在空隙，但铜箔互连上板方式的电镀均匀性明显优于普通上板方式的结果。

这主要是因为铜箔互连的上板方式掩盖了夹具和板之间的接触电阻，同时也掩盖了夹具本身的差异以及夹具和飞靶之间所存在的接触电阻，对流向每块板上的电路起到了二次分配的作用，使得流经每块板的电流更一致。

对于每一块板面不同位置的均匀性结果列于表7。

比较表7 和表3 的结果可以发现，采用铜箔互连后虽然对整个飞靶上板之间的电镀均匀性有明显提高，但对每一块板板面面不同位置的均匀性并没有很大的提高。

这说明整个飞靶上板的电镀均匀性受板面电流大小的均匀性决定，而决定每块板电镀均匀性的是板不同位置上的电场强度是否相同。

当板间有间隙时，会导致板左右两侧镀层偏厚，而当电镀槽体下部遮板位置不恰当时，会导致板底部偏薄或偏厚；当板上边缘和钛篮阳极的上边缘相对位置不恰当时，会导致上部镀层偏薄或偏厚。

3.2.2 板间无间隙：
铜箔互连时，采用板间无间隙的上板方式，其电镀结果列于表8。

从表8 也可以发现虽然第6 和第8 块板的电流明显偏小，但镀铜厚度的差别很小。

比较表8 和表4 的实验结果可以发现，虽然是板间无间隙，但铜箔互连上板方式的电镀均匀性要优于不互连的排板方式，这进一步说明了铜箔对板面电流的二次分配的作用。

比较表6 和表8 可进一步证明紧密排板比有空隙的排板方式所得到的电镀均匀性有改善。

板面无间隙铜箔互连方式电镀后板面不同位置的分析结果列于表9。

比较表9 和表5 的结果可以发现，虽然都采用无间隙的排板方式，但当板间用铜箔互连后，每一块板不同位置的电镀均匀性也有改善。

同样是用铜箔互连，但当板间有空隙时（表3 和表7 的结果），铜箔互连对板面不同位置的均匀性改善结果不明显，而当紧密排板后（表5 和表9 的结果），影响单一板面均匀性的主要因素（板间空隙）得到控制后，铜箔互连又减弱了个体之间的差异，所以电镀均匀性的结果明显改善。

3.3 底部互连方式表面铜厚结果：
用铜丝在板的底部将板与板之间互连之后，可减弱板和板之间电流的差异，也起到了二次分配板间电流的作用，其等效电路也可用图7 来所示。

3.3.1 板间有间隙：
采用板间有间隙的底部互连方式所得到的电镀均匀性结果列于表10。

比较表10 和表1 的实验结果可以发现，底部互连上部方式的电镀均匀性结果明显优于不互连的上部方式。

另外，从表10 和表6 的实验结果的对比发现底部互连和铜箔互连的电镀均匀性结果比较接近，这说明二者都有二次分配电流的作用。

表10 中第10 块板的结果现实虽然流经该板的电流很小，但最后的镀铜厚度跟其它板相比没有太大的差别，也充分证明了底部连有导线后对电流的二次分配改善了板面电镀的均匀性。

板间有间隙的底部互连上部方式所得到的板面不同位置电镀结果列于表11。

从表11 可以发现板底部的电镀铜厚偏厚，这与阳极尺寸有很大关系，而板左右两侧的电镀铜厚差别也比较大，这也是因为板和板之间存在空隙，影响电力线的均匀性。

3.3.2 板间无间隙：
当板间无空隙后的底部互连上板的电镀结果列于表12。

从实验结果可以发现无间隙的上板方式所得到的电镀均匀性较有间隙的均匀性（表10）要好。

这也充分证明了无间隙上板时电力线分布更均匀。

另外，比较表12 和表8 的实验结果我们可以发现，底部互连的上板方式和铜箔互连的上板方式所得到的电镀均匀性都很好。

二者对流经板面的电流都有一个二次配的作用，并且结合板间无间隙的上板方式，所得到的板面电镀均匀性较其它上板方式有很大程度的改善。

板面不同位置的实验结果列于表13。

从该表可以发现板左右两侧的电镀均匀性有明显改善，这也是因为紧密排板的缘故。

该实验结果跟表9 所示的铜箔互连无间隙上板的实验结果相似，较其它上板方式所表现的板面不同位置的电镀均匀性都要好。

3.4 夹具互连方式表面铜厚结果：
当用导线将夹具互相连在一起时，夹具和飞靶之间的接触电镀被屏蔽掉，等效电流也可用图4显示。

利用这种连接方式也分成板间有空隙和无空隙两种上板方式进行实验。

3.4.1 板间有间隙：
采用夹具互连的板间有空隙的上板方式所得到的实验结果列于表14。

比较表14 和表1 的实验结果我们可以发现，与不互连相比夹具互连上板方式的电镀均匀性略有改善，但与铜箔互连和底部互连的上板方式比起来要差很多。

这是因为夹具互连是将飞靶和夹具之间的电阻进行了屏蔽，但很大程度上夹具和飞靶之间接触良好，所以这种互连方式对电镀均匀性的贡献不大。

至于板面不同位置的电镀均匀性，结果列于表15。

3.4.2 板间无间隙：
采用夹具互连的连接方式，当板间无间隙时的实验结果列于表16。

比较表14 和表16 的结果也可以发现紧密排板时的电镀均匀性比板间有空隙时要好。

表17 列出了的夹具互连板间无间隙的上板方式所得到的板面不同位置的电镀均匀性结果。

比较表17 和表15也能看出板间无间隙时的电镀均匀性也略优于有间隙的电镀均匀性。

4. 结论
综合分析以上八种上板方式所得到的结果我们可以给出如下结论：
1、板间无间隙上板方式的电镀均匀性优于有间隙上板方式的电镀均匀性；
2、铜箔互连和底部互连对流经板面的电流有二次分配的作用，对板面电镀的均匀性有很大程度的改善；
3、夹具互连的上板方式对电镀均匀性的贡献不是很大、
4、采用铜箔互连或底部互连的方式并且板间无间隙可明显电镀均匀性。

5. 夹具改造
采用铜箔互连或板间互连的上板方式能大大提高板面电镀的均匀性，但不能应用于量产。

如何将电流经二次分配后均匀地分散到各板面是提高电镀均匀性的努力方向，因此在新夹具设计时一改传统的独立夹具设计，改用长条形，每个夹具相当于一个小型飞靶，其结构示意图如图8 所示。

利于新型夹具进行均匀性测试，电镀条件同2.2，数据分析同2.3，实验结果列于表18。

从实验结果看，整条飞靶上所有板的铜厚一致性非常好，标准偏差仅为1.32，大大改善了板面电镀的均匀性。