PCB电镀铜原理简介电镀工艺

)
(
阳 极
氧 化 反 应
电流方向
电子流方向
Cl--
Cu++
Cu++ Cu++
SO4=
H+ Cu++
Cl-Cu++
Cu++
Cl--
Cu++
SO4=
Cl--
Cu++ CuO
H+
SO4=
Cu++ CuO
H+ H+
Cu++
CuO
Cu++
CuO
H+
)
(
阴 极 还 原 反 应
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硫酸铜电镀液中主要发生之半反应
20
Cu2+ + 2e- Cu
镀槽
- 电镀液组成(H2O+CuSO4.5H2O+H2SO4+Cl +添加剂)
阳极：Cu→Cu2+ +2e- 铜球将逐渐消失
阴极：2H+ +2e-→H2 氢气产生，需震动或摇摆
2Cu2+ +2e-→Cu 铜附着于表面
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H2
板子
铜球
Cu2+
10
硫酸铜电镀液中各离子的迁移示意图
双面板以上完成钻孔后即进行镀通孔(Plated Through Hole, PTH) 步骤，其目的使孔壁上之非导体部份之树脂及玻纤束进行金属化 (metalization )，以进行后来之电镀铜制程,完成足够导电及焊接之金属 孔壁。
2
电镀流程
一次铜：
酸洗 → 电镀 → 水洗 → 水洗
二次铜：
清洁剂 → 水洗 → 水洗 → 微蚀 → 水洗 → 水洗 → 酸洗→ 电镀 → 水洗 → 水洗 → 镀锡铅 → 水洗
Diffusion Layer Capacitance
Charge Transfer Capacitance
Diffusion Layer Charge Transfer IR Drop Resistance Overpotential (Resistance)
Hole Surface
外部电阻
板面电阻
酸洗主要去除板面及孔内之氧化物之用。
3
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，
PCB流程简介-电镀工艺简介
PCB电镀銅原理簡介-电镀工艺
Version 1 Date: Aug ,2020
1
何谓电镀?
电镀，主要为利用直流(脉冲)电流，在溶液中将带正电的金属离子， 送到位于阴极的导体表面。即将溶液中金属成份利用电解还原的方法将其 附着于被电镀物之表面上,以提供足够的导电性/厚度及防止导电电路出现 热和机械缺陷. 在此制程即是将铜离子还原成铜金属，使板面及孔内得到我们所需要的镀 层厚度。PCB制程电镀铜又分为一次铜及二次铜与Tenting电镀。
阴极(cathode)主要发生之还原半反应
Cu++ + 2e- → Cuo Eo = + 0.34V
I
Cu++ + e- → Cu+ Eo = + 0.15V
2H++ 2e- → H2
Cu+ + e- → Cuo
Eo = + 0.52V
Cu++ + 2e- → Cuo
2H+ + 2e- → H2 ↑ Eo = 0 V
细致，除了可产生光泽之镀层外，亦可增进其物性。
6
电镀铜槽操作条件
浓 度 ： CuSO4 H2SO4 HCl
： 60 ±10 g/l ： 13.6 ±1 % ： 50 ±10 ppm
Brightener ： 2 ±1 ml/l
Carrier ： 30 ±10 ml/l
温 度 ： 25 ±3℃
消 耗 量 ： 1~1.5 L/10000 amp.hr
2.对可溶性阳极来说，可腐蚀阳极。
1.在阴极与Carrier协同作用，抑制铜的沉积速率。 2.对可溶性阳极来说，可腐蚀阳极，防止阳极钝化。 3.可以减缓阳极铜的析出率(均匀溶解),并担任电子传递之角色,氯离子正常时阳
极墨呈黑色,过量时变成灰白色.
1.与氯离子协同作用，与铜离子形成错合物，增加铜离子在阴极表面 还原之过电压，抑制铜的沉积速率。
δ
Diffusion layer
Double layer电双层 阴极膜
又称Helmholtz layer
离子主要之 输送现象
Charge Diffusion & Transfer Migration
厚度
~10nm 10~50μm
Bulk solution
Convection & Migration
Distance between cathode and anode
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在高纵横比之下影响Throwing Power之主因
J L2 IR drop = 2kd
L2
代表着电镀困难度
d
当电镀条件相同时，若纵横比(L/d)相同时，板厚较厚者，电镀困难度 较高(见上式)，T/P会较差。
Cu++ → Cuo
Board
IR drop
Cu+
+
↓
Cuo
IR drop = 孔内外之电位差(能量损失) J = 电流密度 k = 溶液导电度 d = 孔径 L = 板厚
Rms
Rcts
IR drop
1. IR drop ：孔内外电位差之电阻(包括溶液)。 2. Rms与Rmh：孔内外之表面因反应而产生的diffusion
layer其间有质传之电阻(浓度过电压))。 3. Rcth与Rcts ：孔内外之表面的double layer其间有电
荷转换之电阻(活化过电压) 。
Brightener会降低R值，所以我们希望板面Carrier多、而
Brightener少，则其电镀 效率变慢；而孔内相反，希望
电镀效率增快，如此T/P将提升。
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电双层(HELMHOLTZ DOUBLE LAYER)内离子的移动情形
(Secondary current distribution)
Activation Polarization
Concentration Polarization
Bulk sol’n
C
A
T
Helmholtz
H
Double Layer
O
D
E
Negative Charge Cation
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如何提升Throwing power(T/P)
改善Throwing power 的方法：
2.通常为聚醚类的长链聚合物，因其易与铜离子形成错合物，受到电 场之影响，载运着铜离子一同迁移至阴极表面；所以易于吸附在板 面上高电位区形成电阻层，使板面之均匀性提高。
B Brightener 光泽剂、细晶剂
1.可作为铜离子沉积在阴极表面之晶种，降低铜离子还原时的
活化能，进而增加铜沉积速率。
2.光泽剂的加入利于新晶核的形成，所以使铜沉积时之晶粒较
电流密度 ： 7 – 30 ASF
镀层厚度 ：0.2 – 0.5 mil ( for一般 ) ， 0.8 – 1.0 mil ( for tenting )
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溶液中的铜离子被还原到PCB上。
直流
整流器
ne-
ne-
铜球
+
H2
-
板子
阳极
Cu2+
电镀上铜层 阴极 (受镀物件)
离子交换
Cu Cu2+ + 2e-
Diffusion Layer Capacitance
Charge Transfer Capacitance
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影响Throwing Power 之主要因子
一次电流分布(Primary current distribution):电流分布只受阴阳
极的几何形状所影响，所以高电流密度区会形成尖端效应，亦即电流集 中在板中凸出部份或板边，造成板面均匀性不佳。而且此现象也是造成 通孔电镀中之狗骨现象及Throwing Power始终小于100%之道理即在于 此。
降低表面阻抗,从而恶化分布不 良情况.
提高沉积速率；
对镀层有平整、光泽及结构细致 的铜层表面，并增加其延伸性及 热冲击的能力，提高其信赖度 氯离子 增强添加剂的吸附
＊各添加剂相互制约地起作用.
5
电镀铜槽液中各成分之作用机制
Item CuSO4．5H2O
硫酸铜
H2SO4 硫酸
HCl 氯离子
C Carrier 抑制剂、载运剂
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Solution Resistance
电镀整体之电路示意图
Cable Resistance
Rectifier
Anode Resistance
Cable Capacitance
Solution Capacitance
Baidu Nhomakorabea
Diffusion Layer Resistance
Charge Transfer Overpotential (Resistance)
a. series光泽剂 之DOE 结论(提升T/P趋势): Cu2+望低,H+望高,B望低,C望高,Cl-不显著
b. 提高Throwing power 的方法很多，包括： (1) 降低ηcts 和ηcth 之差值(△ηct)：其方法包括： －改善搅拌效果 －降低IR 值，包括提高酸度及加入导电盐 －强迫孔内对流(降低IR) －添加改变Charge transfer 能力之添加剂包括载体光泽剂等 (2) 修正极化曲线：如之前所提藉降低极化曲线的斜率降低△J
如何让T/P接近100%？
() ()
阴
极 板
Rcth Rmh
子
阴 极
1.使IR drop愈小愈好：拉高酸铜比增加导电度(必须超过10， 例如Cu=20g/L & H2SO4=230g/L ) 、升温或降低电流密度。
板 子
2.使Rms与Rmh接近：加强对流效果。 3.使Rcth小于Rcts：藉由Additive之作用，Carrier会增加R值，
E
Eo 值越大表示反应越容易发生
阳极(anode)主要发生之氧化半反应
仅发生电镀 发生电镀+ H2 ↑
Cuo → Cu++ + 2 e-
Eo = – 0.34V
2H2O(l) → 4H+ + O2↑ + 4e-
Eo = – 1.23 V
氧气的生成：在可溶性阳极，由于氧气之氧化电位低于铜，所以较不易产生；
改善镀层结晶细密性。 例如：光泽剂使镀层有平整、光泽及结构细致的铜层表面，并增加其延伸 性及热冲击的能力，提高其信赖度。
4
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
光亮剂 选择性地吸附到受镀表面,
槽液中各成分作用机制
1.提供反应所必须之金属离子,即供给槽液铜离子的主源. 2.配槽时要用化学级之含水硫酸铜结晶溶解使用,平常作业中则由阳极磷铜块解
离补充之,为一盐桥并增加槽液的极限电流密度,配液后要做活性炭处理及假镀 (dummy).
1.增加溶液的导电性及阳极的溶解,镀液在不镀时要关掉吹气(air),以防铜量上升 酸量下降及光泽剂之过度消耗.
c. 修正极化曲极化曲线的方法： 降低金属离子浓度： 基本上过电压就是赋予带电离子反应所需能量，以驱使反应进行。因此离子愈少则要 维持定量离子在定时间内反应之难度愈高，因此必须给予较大能量。其结困即使得 J-η曲线愈平,可得几项推论： －CuSO4 浓度愈低，Throwing power 愈好 －上述结果也可推论到二次铜电镀线路不均的板子，其Distribution 也将改善 －必须强调的是随CuSO4 降低，相同电路密度下所消耗的能量更大
二次电流分布(Secondary current distribution): 电流分布受到
活化过电压及浓度过电压之影响。
电镀困难度(Difficulty of plating)：当电镀条件相同时，若纵横比
(Aspect ratio L/d)相同时，板厚较厚者，电镀困难度较高，相对地 Throwing Power会较差。
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一次电流分布(Primary current distribution)
电流分布只受阴阳极的几何形状所影响
__ __ _
+
+
__
+
_
+ + +
+
+
+
+
尖端效应：电流集中在板中凸出部份或板之边缘(高电流区)，造成板面均匀性不佳。
+ +
_－
－
_
_
_
_
_
_
_
_
_－
－
+ +
+
+
+ +
__________
但在不溶性阳极，主要之半反应只有氧气的生成。
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铜离子(Cu2+)浓度在镀液中之分布情形
Concentration of copper ion
阴极 Cathode
Convection Velocity almost zero
If convection velocity↑then δ
阳极 Anode
－－
－－
+ +
通孔电镀中之狗骨现象及T/P始终
小于100%之道理即在于此。
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二次电流分布：电流分布受到活化过电压及浓度过电压之影响。
Hole
Rcth + Rmh + IR drop
Throwing Power(T/P) =
=
Surface
Rms + Rcts
+++++++++++
+ + + 阳极