电镀铜层结构对后工序的品质影响与改善.pdf

2023春季国际PCB技术/信息论坛238电镀涂覆 Electroplating and coating电镀铜层结构对后工序的品质影响与改善 Paper Code:S-050 李仕武 王景贵 （广州广合科技股份有限公司，广东 广州 510730）摘 要 随着印制线路板产品不断朝着高精密的方向发展，其生产工艺流程也越来越复杂，前后生产工序之间的相互影响作用也越来越多，越来越明显。本文通过对生产过程中出现的HDI子板棕化不良、外层板金面色差等两种问题进行分析层别，发现都是电镀多铜层结构影响，并分析多镀铜层的产生原因和机理，提出改善方法，避免对棕化与沉金等后工序的品质影响，保证产品品质。关键词 电镀铜层；棕化不良；金面色差 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0238-06 Analysis and improvement of the influence of copper plating layer structure on post-process qualityLi Shiwu Wang Jinggui Abstract With the continuous development of printed circuit board products towards high precision,its production process is becoming more and more complex,and the interaction between the previous and subsequent production processes is becoming more and more obvious.This paper analyzes the two problems such as bad browning of HDI board and color difference of gold surface in the production process,and finds that they are all caused by the structure of multi copper plating layer.It analyzes the causes and mechanism of multi copper plating layer,and puts forward improvement methods to avoid the quality impact on post processes such as browning and ENIG,which meet the quality requirements.Key words Electroplated Copper Layer;Poor Browning;Golden Aberration0 前言印制线路板（PCB）制造是个复杂的过程，前后涉及十几个工序甚至更多，不同工序之间也存在相互的影响。随着线路板的高精密化、轻薄化、小型化发展要求，其生产工序之间的相互影响也越来越多，越来越明显。生产过程中，各工序的质量控制，除了要在本工序下功夫外，还要依据质量缺陷产生的根本原因，反馈到根因出现的工序进行控制。在以电镀工序为例，电镀后的铜面质量就直接关系到后工序的阻焊、表面处理等工序的表观品质。这些因铜面质量引起的缺陷，其改善重点也不是在当前的阻焊、沉金、棕化等工序，而是在前流程的电镀工序。众所周知，电镀生产过程中，如果出现不连续电镀，如过程出现断电流、多次电镀等情况，电镀铜在切片并微蚀后，可以看到铜层之间有清晰的微蚀线，如果后工序的棕化、沉金等流程生产时刚好处于此铜层分界线，就会出现棕化不良、金面色差等缺陷。本文主要是通过对几个棕化不良、沉金色差的案例进行失效分析，发现都是电镀铜层结构2392023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating的影响，并调查分析不同类型的多镀层产生原因及其机理，针对性提出改善方法，避免对工序的品质影响，保证产品品质要求。1 机理分析1.1 电镀铜层分界线金相切片是对PCB板品质的常见监控方法。PCB板经过电镀之后，取样制作成切片，经仔细抛光后进行微蚀，就可以在各个铜层之间分出界线，清晰的区分开，使之可以清晰观察各铜层的厚度与品质。对于微蚀分界线的本质，参考同行陈工在研究折镀问题时对于折镀的研究1。折镀，是指在切片中看到的贯穿孔铜的微蚀线，陈工利用扫描电镜对折镀切片进行铜晶格对比，发现折线贯穿于各晶体中，且两侧的铜晶体无明细异常，再利用激光切割设备沿着PCB厚度方向对折镀位置的孔铜进行激光切割后发现，切割位置的折线消失，并无明显裂纹，说明折镀线并非两个镀层之间的缝隙，而是在正常铜层之间形成的一条晶格相对松散的细小镀层，经微蚀作用形成的表面凹痕。从以上研究中，可以得到微蚀线的形成真因。正常的镀铜药水，正常的电镀参数，为何仍会形成一条晶格相对于正常铜层而言，晶格相对松散的细小镀层？白蓉生老师对此曾有描述，并将电镀过程是否达到极限电流密度，将电镀铜分为冬材和夏材2。冬材，为电流密度还是很低的起步电流电镀状态时，电镀出来的镀铜层，如同树木在冬天生长缓慢的薄材；而夏材，则为电流上升到极限电流密度之上，电镀形成的品质致密良好的镀层。电镀过程开始时，电流接通，形成电场，镀铜添加剂在电场的驱动下，依据其不同的特性，附着在不同的电流区。下图2，是整流机电流曲线图，从中可以看到，从开始有电流，到电流上升到额定的程度，需要一定的时间。在这个电镀起步的时候，由于电流密度小、起步电流持续的时间很短，镀铜添加剂未吸附到对应的电流区，因此，这个时候镀出来的镀层，不仅薄，而且晶格松散，不够致密。图1 切片微蚀后的分界线图片 图2 电镀起步时的电流曲线2023春季国际PCB技术/信息论坛240电镀涂覆 Electroplating and coating1.2 棕化不良原理分析棕化机理的研究已经比较清楚34。表面处理技术理论表明，提高铜箔与树脂之间的结合力可以从两个方面来分析：一是提高铜/树脂接触界面的比表面积，二是形成一层有机金属转化膜。通过棕氧化处理后的铜表面利用物理吸附以及化学键合的作用来提高内层结合力，同时能保持有机金属膜层本身的稳定性，提高其耐酸性，防止铜进一步被腐蚀，从而可以保护线路图形，保证 PCB 多层板的品质和可靠性。棕化处理技术的核心是铜表面在酸性体系中被氧化，形成的氧化亚铜膜层具有颜色均匀、结构致密且粗糙度一致等特点，目的是为后续有机金属氧化膜的形成提供良好的化学环境和物理结构。紧接着铜氧化物与含 N、S、O的有机杂环化合物缓蚀剂生成有机金属铜膜，沉积在铜氧化物表面。棕化处理的两个关键步骤如反应式所示：蚀铜反应：一般认为是双氧水先分解H2O2O+H2O，形成原子态的氧，新生成的原子态氧立即参与氧化还原反应，与基板上的金属铜发生反应Cu+OCu2O，所生产的铜氧化物，以氧化亚铜为主体，具有良好的致密度和热稳定性。成膜反应：Cu2o+RCuI-R，其中，R表示能与氧化亚铜生成有机金属膜的化合物。图3 棕化处理后的内层板结构由以上反应过程机理可以推测，当棕化药水遇到铜层粗糙的、致密度不够的铜面时，会未能形成致密的氧化膜，因此，未能保护铜进一步被腐蚀，从而会使蚀铜反应持续进行，也就没有致密的氧化膜继续进行下一步的成膜反应，从而产生棕化不良露铜的现象。1.3 金面色差分析 金面上的颜色差异，主要可以分为两种类型，分别是：化金药水、阻焊等因素导致污染产生的金面异色问题，与金面粗糙造成的明暗色差问题。这里讲的主要是明暗色差，主要表现为部分金面发暗，部分金面发亮，金面发亮和金面发暗形成色差5。这种色差，用X-RAY表面涂层测厚仪测量金镍厚度，颜色正常位置与异常位置的金镍厚度一致的。这也说明明暗色差主要是由于金面粗糙产生，而金面粗糙度与外层线路铜面粗糙度密切相关。因此，可以推测，当沉金生产时，铜面刚好位于铜层分界线时，分界线上的粗糙铜层会在金面上凸显出来，进而形成明暗色差。2 案例分析2.1 电镀多铜层导致棕化不良（1）案例背景：某款HDI型号子板C6XXX0392A-0205，在棕化工序反馈出现批量棕化不良，不良比例=8/8=100%，板面上部分区域呈现棕化不良露铜色，部分棕化正常，不良图片见下图4。同在该棕化线前后生产其他型号的棕化表观正常，初步调查棕化线的药水成分化验结果符合规格。（2）失效分析：调查确认棕化药水成分含量符合规格，同时间生产其他型号无同样不良，可以初步确定该型号棕化不良与生产线无关，应是型号自身的原因影响产生。对棕化不良的该型号，与棕化正常的其他型号，取样做切片分析，确认铜层情况，如下表1。可以看到正常，棕化正常型号只有两层铜，即底铜与一层电镀铜，而棕化不良型号分为密密麻麻的很多铜层，且各细小铜层的厚度基本一致。同时取样棕化正常与不良板子做电镜SEM检查，见下表2，可以看到，同样3K倍数放大的铜面SEM，棕化正常板子的铜面比较细致均匀，棕化不良板子的铜面对比起来更加粗糙。2412023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating表2 棕化正常与不良的铜面SEM对比对于此案例，依据以上信息定性是铜面粗糙影响，而铜面粗糙可能与多铜层相关。（3）机理分析：该不良型号的铜层在切片微蚀下分成多个铜层，且每个铜层的厚度基本一致，调查电镀过程时VCP线生产。结合VCP线多铜缸的特点，分析是电镀线导电滑块衔接不良，导致板子在生产过程中通电断断续续，电流通断过程中，起镀电流和重新分布的镀铜天添加剂影响下，镀出的铜层比较粗糙，从而出现切片微蚀多铜层。这些不够致密的铜层，在棕化过程中，无法形成致密的氧化亚铜膜，影响进一步形成有机金属膜，从而显现出棕化不良露铜色的情况。（4）改善措施：针对这种因导电滑块导电性影响的多铜层，重点在于做好对阴极导电的相关设备的清洁。本次安排图4 HDI子板C6XXX0392A-0205棕化不良表观图表1 棕化正常与不良的切片对比正常型号 棕化不良型号 正常型号 棕化不良型号 2023春季国际PCB技术/信息论坛242电镀涂覆 Electroplating and coating保养后，没有再出现这种类型多铜层问题，也证实以上机理分析。2.2 电镀加镀铜层产生棕化不良（1）案例背景：本次案例也是在棕化流程反馈，表观图如下图5，不良比例120/120=100%，棕化不良区域也是露出铜色。该棕化线在此型号前后生产的型号也无同样的棕化不良现象，调查棕化药水的化验分析结果符合规范。该型号的生产流程：沉铜填孔电镀填孔后加镀树脂塞孔树脂研磨次外层图转次外层蚀刻次外层AOI棕化压板。图5 HDI子板10XXX0113C-0209棕化不良表观（2）失效分析：基于上案例对于HDI子板这类棕化不良的失效机理分析，本次不良直接对正常区域切片确认铜层状况，见图6，可以看出，板子也是有一层薄薄的铜层。结合该板的生产流程，可以得知，这次铜是填孔后加镀产生，并经过树脂研磨和棕化微蚀处理。图6 HDI子板10XXX0113C-0209棕化正常区域切片图片（3）机理分析：填孔后加镀的电镀参数为8 ASF43 min，理论镀铜厚度0.3 mil，经过树脂研磨处理和棕化减铜处理后，部分区域的刚好在铜层分界线处，导致出现棕化不良。（4）改善措施：针对这类不良，主要是提供合适的电镀参数，管控最外层铜的厚度，并控制树脂研磨参数及其削铜量、棕化微蚀量符合规格，确保最终。根据不同类型的流程设计，结合各工序的减铜量，并保证剩下2 m以上的铜厚，最外层铜厚的控制要求如下：后工序有减铜流程有树脂研磨+棕化（或者表面处理），最外层铜厚保证0.4 mil以上；后工序包含的减铜流程不含树脂研磨的，最外层铜厚保证0.3 mil以上。对于两次电镀流程、填孔后加镀流程、电镀返工处理流程等，都要求最外层铜厚满足以上要求。当后工序涉及的减铜流程除了以上提到的树脂研磨和棕化、表面处理，还有其他流程时，需在以上要求再加上对应流程的减铜量。2.3 电镀铜层导致金面色差（1）案例背景：本案例在化金工序反馈金面色差，型号06XXX0302B，图见下图7，不良比例41/178=23%，实测镍金层厚度符合规格，但金面表观色差明显。2432023春季国际PCB技术/信息论坛电镀涂覆 Electroplating and coating图7 06XXX0302B金面色差表观（2）失效分析：对不良位置切片分析，观察铜层、镍金层的状况，见下图8。从图片可以看到，镍金层平整无粗糙，阻焊下的铜层比金面下的铜层多一层薄薄的铜层，镍金层刚好处于两层铜的交界线上。图8 06XXX0302B金面色差切片（3）机理分析：调查生产过程，这批板电镀生产期间出现7分钟的设备故障，过程打保护电流。保护电流参数设置5%，该板电镀参数为22.5 ASF60 min，因此打保护电流期间，电流密度是1.125 ASF，这个电流密度远远低于该镀铜添加剂的电流密度承载范围530 ASF。相比正常电镀参数，在保护电流密度形成的弱电场环境下，添加剂调整吸附，并在小电流的作用下，两者影响形成的镀层相比正常镀层更粗糙。因此，化金刚好处于这粗糙铜层位置时，铜层粗糙会在金面上显现出来，形成金面粗糙，对比正常金面，粗糙金面明显发暗，形成色差。（4）改善输出：针对这类问题，主要是维护保养好电镀设备，避免发生异常设备故障。当设备故障发生时，需对在线型号抽样，确认电镀铜层是否出现分层，并对板子进行妥当处理，保证最外层铜厚满足上文提到的厚度要求。3 结论文章通过对生产过程中出现的HDI子板棕化不良、外层板金面色差等两种问题进行分析层别，发现都可以归结为电镀多铜层结构影响，并调查分析多铜层的产生原因和机理，发现主要是设备保养、设备故障、电镀加镀参数不合适等原因产生，并针对性提出改善方法，避免对棕化与沉金等后工序的品质影响，保证产品品质。印制线路板生产是个复杂的流程，工序繁多，且工序之间相互影响，对于过程发生的质量问题，需要追根究底，查出问题产生的根因原因和失效机理，才能从源头上针对性解决，预防问题发生。参考文献1 陈正清,秦典成,纪成光,杜红兵.通孔电镀中的折镀问题失效分析与改善.广东化工,2021(7):54-58.2 杨智勤,张曦,陆然,倪超.填孔电镀盲孔微蚀分界线成因浅析.印制电路信息,2012(1):42-43.3 向琳.铜/树脂界面结合力的研究及其在印制线路板制造中的应用.电子科技大学,2016年03期.4 叶绍明,王恒义,李宏钦.应用于棕化液中的新型缓蚀添加剂.印制电路信息,2005(5):27-29.5 贾莉萍,陈苑明,王守绪.化学镀镍镀钯浸金表面处理常见品质缺陷及解决方案.印制电路信息,2005(5):27-29.作者简介李仕武，本科学历，现任职广州广合科技股份有限公司品质部工程师，主要负责PCB生产湿流程品质管理。