电镀均匀性改善研究

电镀均匀性改善研究
2008-8-15 17:02:04 源自: 作者:
摘要：本文针对图形电镀线电镀均匀性不佳的状况，通过一系列细致的试验分析，完成了在缸体上部增加特定尺寸的阳极挡板，以及在浮槽侧面进行大小、间距适宜的开孔等改造措施，改善了该线的电镀均匀性，使其均匀程度由改善前的20.8%，提高到改善后10.3 %。

关键词：电镀均匀性；阳极挡板；浮槽
1. 前言
随着PCB 不断向轻、薄、短小高密度方向发展，给很多设备和生产工艺带来了更高要求。

其中线路板图形间距越来越小，而孔铜厚要求却越来越高，给图形电镀均匀性就提出了新的挑战。

我司旧图形电镀线在加工整板细密线路(最小间距3.5mil)的板子时，板边细密线路容易夹膜，导致报废。

且发现板上有规律的铜厚分布不均匀，导致半成品切片判断孔铜失误，不能有效对半成品的铜厚作出准确判断。

故决定对此线电镀均匀性进行专门测试分析，组织进行改善。

2. 测试说明：
1)整个图形电镀线的电镀窗口为52×24(Inch2)，深方向为24Inch；
2)采用生益FR-4 板材，尺寸：24X24Inch2，2 块此尺寸板并排放置于电镀缸中进行测试；
3)测试板距溶液表面0-1Inch，悬挂于溶液中间，不加分流条，22ASF,电镀60 分钟；
4)深方向是指板子从镀液表面到溶液底部的方向；水平方向是指与阴极杆平行的方向；
5)测量仪器采用的是德国Fischer 公司感应式表面铜厚测试仪，测量误差<0.5um；
6)测试时每2×2Inch2 取一个测量点，用电镀后的铜厚减去电镀前的铜厚进行统计分析；
7)因每进行一次测试，2 块板两面共有576 个数据，限于篇幅，文中只展示每次正面测量所作出示意图。

7 次测试的数据，作为附件，另附一个文档。

3. 改善目标：
1)总体COV(标准偏差与总体平均值的比值百分数)<11%（业界参考标准为<=8-12%)；
2)深方向镀铜厚度平均差异(深方向极差)<3um。

4. 首次测试：
选取该线12#缸进行均匀性测试，其总体COV 为20.8%，水平方向的不均匀主要在板最两边，可以通过在挂具两侧加分流条和调整阳极间距来避免和改善。

另外，从深方向的平均铜厚分布图(如图1)可以看出存在如下问题：
如上图1 所示：
图1 第一次测试深方向平均铜厚分布图
(1)距离液面1-3 Inch 区域内，铜厚比整板平均镀铜要厚4.1um；
(2)距离液面20-24Inch 区域内，铜厚明显比整板平均值薄4.8um；
深方向镀铜平均值的极差为8.9um。

结合电镀缸体设备进行分析，主要原因为：测试板上部电力线过于密集，造成板子上部
1-3Inch区域电镀过厚；电镀槽底部部浮槽对板底端遮蔽过度，导致此区域电力线过于稀疏，从而铜厚过薄。

针对以上两个问题，决定对电镀槽进行如下两个方面的改造，以便使得整体铜厚分布均匀：
(1)通过试验测试，在电镀缸上部增加尺寸适宜的阳极挡板；
(2)通过试验测试，对电镀缸中浮槽侧面进行适当的开孔。

5. 阳极挡板改善：
根据前次电镀均匀性测试的结果，我们决定首先对上部镀铜过厚的问题进行改善。

5.1 初次设计阳极挡板：
首先设计了在缸体上部，距离阳极1Inch 的位置增加深入液面5Inch 的阳极挡板。

测试总体COV 为21.7%，深方向铜厚极差为5.6um。

深方向铜厚分布如图2 所示。

图2 阳极挡板深入液面5 Inch 正面深方向铜厚分布
图2 显示阳极挡板深入液面过深，遮蔽电力线过度，故需减少阳极挡板深入液面的尺寸。

5.2 改造阳极挡板：
随后把阳极挡板深入液面的尺寸减少到2Inch，重新制作2 个阳极挡板后再进行测试：
图3 阳极挡板深入液面2Inch 正面深方向铜厚分布
总体COV 也优化到17.9%，上部1-3Inch 区域铜厚与总体平均铜厚差异小于3um。

深方向平均铜厚极差为6.9um，板上部镀铜过厚已得到有效的抑制。

以上说明，对电镀缸体增加深入液面2Inch 的阳极挡板，对改善电镀缸上部的均匀性是合理的。

6. 浮槽改善：
要提高距液面20-24Inch 区域铜厚，需对浮槽侧面进行适当开孔，以增加该区域电力线密度。

6.1 浮槽开大孔：
对浮槽侧面每边9 个区域进行开孔，开孔大小为100×50(mm2)的方形孔，如下图4 所示：
图6 浮槽侧面每间隔15mm 钻一个5mm 的圆孔
测试总体COV 为15.9%，深方向镀铜平均差异为7.4um，如图5 所示。

这说明对浮槽的侧面开孔过大，导致从浮槽侧面透过电力线过多，电镀过厚。

6.2 浮槽开圆孔：
对浮槽侧面9 个区域进行开孔：每个区钻5 排孔，间隔为15mm，直径5mm。

如图6 所示：测试其总体COV 为13.4%，深方向平均铜厚差异为3.6um，如下图7 所示。

说明还得想办法使得最底部的电力线分布再稀疏些。

图7 浮槽侧面开5mm 圆孔后测试的铜厚分布图
6.3 浮槽圆孔优化：
对浮槽侧面区域：钻四排孔，第一排为直径10mm，其余三排直径为5mm，孔中心间距都为15mm。

改造后测试总体COV 为10.3%，深方向镀铜厚度平均差异为2.6um，已小于3um 目标，如图9 所示：板子最底部的铜厚分布差异有所减小，达到改造预期要求。

图8 浮槽侧面圆孔优化改造示意图
7. 改造后总体测试效果：
结合5.2 和6.3 的改造结论，对其余7 个电镀缸进行了全面改造----在每个缸体上增加了阳极挡板，对每个缸浮槽进行开孔改造。

改造后我们随即抽取15#电镀缸进行测试，以便确认改造效果。

图9 浮槽侧面圆孔优化后正面深方向铜厚分布图
图10 全面改造后15#缸正面深方向铜厚分布图
深方向镀铜厚度差异为2.8um，整板COV为7.9%，与在12# 缸测试的结果比较接近，符合改造目标要求，如图10 所示。

8. 结束语：
历经多次电镀均匀性的测试和设备改造，该图形电镀线的电镀均匀性从原来的20.8%，提高到了改善后的10.3%。

深方向平均铜厚的差异也由原来的8.9um 降低到小于3um。

目前间距为3.5mil板加工时，夹膜以及铜厚问题基本得到改善。

板面电镀均匀性研究
2008-8-15 17:00:13 源自: 作者:
摘要：电路板轻、薄、短、小的发展趋势要求在电路设计过程中线宽/间距越来越小。

常规的4/4mil的线已不能满足高密布线的需要，3/3mil 线已成为一种趋势，而3/3mil 线的制作不仅对蚀刻工艺提出了很高的要求，对表面铜厚及其均匀性的要求也越来越高，因此对电镀板面镀层均匀性影响因素的研究显得非常重要。

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。

关键词：板面电镀；镀层；均匀性；夹具
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。