-
九
.
二次铜
9.1
制程目的
此制程或称线路电镀
(Pattern
Plating),
有别于全板电镀
(Panel
Plating)
9.2
制作流程
目前二次铜作业几乎都是以龙门式自动电镀线为主
,
是垂直浸镀方式
,
上下
料则采手动或自
动
.
设备的基本介绍后
面会提及
.
另外值得一提的是为迎合
b
uild up
新式制程
,
传统垂直电
镀线无
法达到一些规格如
buried hole,
throwing power
等
,
因
而有水平二次铜电镀线的研发
,
届时又将是一
< br>大革命
.
本章仍就传统负片二次铜流程加以介绍
:
铜面前处理→
镀铜→镀锡
(
铅
)
9.2.0 Time
table(
时序图
):
含镀槽在内
,
二铜自动电镀线所设计的槽数
,
少者
2,30
多者
4,50,
输送挂架
的天车
2~3
部
,
因此必须由程式来控制各槽起落
,
停滞时间
,
再由天车执行各
RACK
流程顺序等
一连串复杂的
动作
,
电镀时间甚至可控制为设定安培小时
< br>,
如此各天车就有一时间路线图称之
Time Table.
拜
PLC
的功能愈来愈进步所赐
,
利用电脑的人性化
介面
,
在程式的设计上简便又快速
.
9.2.1
铜面前处理
二铜制程之镀铜前处理皆为
In
line process,
所以都是化学处理方式
.
一般的流程为
:
脱脂→水洗→微蚀→水洗→酸浸→镀铜→水洗…
此前处理的重点在于如何将前一制程
-
外层
线路制作
-
所可能流在板面上的氧化
,
指纹
,
轻
微<
/p>
scun
等板面不洁加以处理
,
并予以表面的活化使镀铜的附着力良好
.
9.2.2
镀铜
9.2.2.1
电镀基础
A.
法拉第定律
第一定律─在镀液进行电镀时
,
阴极上所沉积
(deposit)
的金属量与所通过的电量成正比。
第二定律─在不同镀液中以相同的电量进行电镀时，其各自附积出来的重量与其化学当量
成正比。
B.
电极电位
当金属浸于其盐类之溶液中时，<
/p>
其表面即发生金属溶成离子或离子沉积成为金属之置换可
逆反应，
直到某一电位下达到平衡。
若在常温常压下以电解稀酸液时白金
阴极表面之氢气泡做
为任意零值，
将各种金属对
零值极
连通做对比时，
可找各种金属对氢标准电极之电位来
(NHE
Standard Potential , Normal Hydrogen El
ectrode)
。将金属及其离子间之氧化或还原电位对
NH
E
比
较排列而成
电化学次序
或电动次序
(Elect
romotive Force Series)
。
以还原观点而言，比氢活泼的金属
冠以负值使其排列在氢的上位，如锌为
-0.762
，表示锌<
/p>
很容易氧化成离子，不容易沉积成金属，理论上至少要外加
0.7
62V
以上才能将之镀出。即：
Zn
+ 2 e
→
Zn, -
0.762 V
比氢不活泼者冠以正值，排在氢的下位，如铜之：
Cu + 2 e
→
Cu, + 0.34 V
愈在下位者愈容易还原镀出来，<
/p>
也就是说其金属态在自然情况下较安定，
反之在上位者则容
易生锈了。
C.
过电压
(Overpotential)
：
在溶液中的带电物体在平衡时会存在一定电位值，此电位值称为平衡电位
(E0)
：当该物质产
生一反应
〔不论化学
（氧化还原）
或物理反应（扩散）
等〕
时，
都必须赋予额外能量，
这种
能
量在电化学的领域我们称
为给予的反应电压叫作
过电压
，其关系可以下式表示：
η
＝
V(applied)-E
°
C-1
电镀的过电压：
在电镀过程中电压主要表现分成下列三项：
η
＝
η
ct+
η
mt+IR----------------(1)
η
ct
：
Charge transfer
overpotential
：电镀反应的过电压
η
mt
：
Mass
transfer
overpotential
：质传反应的过电压
IR
：溶液本身的电阻
对电路
板而言孔与表面为等位面，因此
η
s(surface)= <
/p>
η
h(Hole)
，因此
η
s=
η
h=
η
sct+
η
smt+IRs=<
/p>
η
hct+
η
h
mt+IRh---------------(2)
其中
η
mt
表示带电离子藉
Diffusion
作
用通过
Diffusion layer
所造成的电位差，其状
况可以下
图
9.1
表示
图
9.1
显示的意义为在距离
(
δ
)
之外的溶液，
< br>其金属离子浓度可视为定值，
其数值与
整槽的平均浓度<
/p>
(C)
相同。
而在一定距离
(
δ
)
内，金属离子浓度会逐渐下降，此一浓度下降的区称为
Diffusion Layer
，而
δ
值即为
Diffusion
layer thickness
；
由于浓度梯度的存在
(Concentration gradient)
会消耗电能，<
/p>
此
即为
Mass transfer o
verpotential
存在的原因，其大小可以下式表示：
η
mt
＝（
RT/nF
）
(I/iL)=0.082(J/JL)-------------------
--(3)
< br>其中
J
及
JL
< br>分别代表电流密度及极限电流密度，而极限电流密度
JL
可以表达：
JL=(nFDCb/
δ
)=K(Cb/
δ
)-------------
-------------------(4)
当系统选定
(Cb)
操作方式固定
(
δ
)
，
JL
值相对也就固定。但
(
δ
)
值会大搅拌及挂架不同而修
正。
一般而言，板面因搅拌而
(
δ
)
变小；因此<
/p>
JLS
很大而造成
η
mts
低，反之由于搅拌方向多
和
孔
方向垂直；孔内因为金属离子不易
补充及搅拌不佳造成
Cbh
偏低及
δ<
/p>
值偏高
,
以致
JLh
偏低
η
mtL
偏高
(
η
mth>
η
mtsL)
至于
IR
项是溶液电阻形成的电压降，距离愈长降愈大；一般
取板面的
IR=0
，而孔内则为：
EIR
=(J.L2/2Kd)-----------------------------------(5)
J
：电流密度
L
：板厚
d
：孔半径
在一般状况
EIR>>0
而
η
mth>
η
mtsL
因此根据式
(2)
< br>可知
η
cth>
η
cts
恒成立，也就是孔内的
Charge
transfer potential
永远小于表面
的
Charge transfer potential
，而且随着板厚愈大
(
即使
Aspect ratio
不变
)
，两者差值愈大。
C-2
过电压与电镀
在各种过电压中，真正决定电流密
度的是
η
ct
（
charge transfer
overpotential
），他与电流密度
有如下
图
9.2
的关系：<
/p>
图
9.2
为不同
η
ct
时电流度的变化曲线
(
极化曲线
)
，其内容如下：
a.
一般而言当系统被赋予电压时会相应产生电流，其电流变
化一开始时较缓，尔后会呈
稳定上升，最后趋向极限电流密度
J
(Limit)
b.
上述可稳定增加之区间为可操
作
Range
，但一般为考虑电镀品质，当选择
J/J(Limit)=0.35~0.45
为范围
c.
当电流密度达到
J/J
(Limit)
时，即便再加压电流密度也不会再上升
d.
给予电压因分布不均而局部过高，则当
< br>η
超过
η
1*
< br>时会产生氢气，造成局部烧焦
及低电
流效率的缺点
e.
若
外加电压太高
(
η
ct>
η
2*)
，则溶液产生大量氢气并产生金属粉末
由前述知<
/p>
η
cts=
η
c
th
成立，则由
图
9.2
知
Jcts>Jcth
亦成立此即面铜比孔铜厚的原
因
(Throwing Power T.P.<=1)
的主因
。而由
图
9.2
可以发现，相同的
η
cts
和
η
cth
的前题下，
Curve(II)
所形
成的电流密度差
(
△
J2=Jcts=Jcth)
比
Curve(I)
为小
(
△
J2=
△
J1)
，也就是后者
(
面
铜
/
孔铜
)<
/p>
电流密
度差较小，因此
Throwing power
较佳；其中
T.P
.=(Jcth/Jcts)----------------------------------(6)
由上可佑若适当降低极化曲线
(Plating curve)
的斜率将有助于
T.P.
的提升
D.
改善
Throwing
power
的方法：
a.
提高
Throwing
power
的方法很多，包括：
(1)
降低
η
cts
和
η
cth
之差值
(
△
< br>η
ct)
：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
b.
修正极化曲极化曲线的方法：
(1)
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
（见
图
9.3
），
由图上
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
Distri
bution
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
降低金属离子另外衍生的问题将在后面讨论
E. Additive(
添加剂<
/p>
)
：见
图
9.4
a.
基本上电镀的
Additive
可分两大类：
－导电盐：
多为无机盐类，用以降低
IR
－修正极化曲线：
多为有机物
b.
就
Additive
加入对极化曲线之影响讨论如下
:
有机<
/p>
Additive
加入会吸附在被镀物上形成一孔状的
Film,
有阻绝作用以致极化曲线
Shift,
使得△
J
由△
J1
降为△
J2
因而改良
< br>T.P.(T.P.=1-(
△
J/ Js))
有机<
/p>
Additive
一般多为分子较高的分子，
其
Diffusion
不易，
故一
般多在表面沉积，
造成表
面所吸附的
A
dditve
比孔内多，
以致孔内和表面极化曲线不一致，
使对应的
J
值产
生变化，
△
J
再由△
J2
降到△
J3
，
T.P.
因此再度提高
Ad
ditive
之加入，由于表面吸附作
用，有其一定值及
边际效用递减
的作用。
当完全没有时加入少量即影响甚大，
其后再加
改变效果逐渐降低，
最<
/p>
后会出现多加无益反而有害的现象。
F.
低铜浓度镀液的评估
a..
主要考虑项目包括：
a-1.
操作的电流密度范围：
一般而言极限电流密度和浓度存在下列关系：
J limit=a+bCb
Cb
：镀液浓度
a,b
：为常数，以
CuSO4
镀
液而言存在如下关系：
J
limit = 1.8+1.34 Cb ----------------------- (7)
而一般实际电镀的电流密度范围则为以下关系：
J/J limit = 0.35~0.40
----------------------- (8)
根据上述加以整理则有如表之结果
－
不同铜含量下之
J limit
与
J
之值
由表可知低铜镀液操作范围因而下移且缩小，此为设计上必须
注意的事。一般而言
若电
流密度超过
上限，易导致
T.P.
下降或铜粗的现像，若太低则易造成白雾
现像。
a-2. Cu+2
累积的问题：
在长期
Running
的过程中，
难免因电流
效率无法维持
100%
而导致
Cu+2
浓度上升；
其影响
如下：
－浓度上升造成
Operation range
上移，
导致原设计之
J
值
在新浓度中偏下限操作而导致
白
雾现象
.
－浓度上升导致极化曲线动以
T.P.
下降
－浓度上升使原先的
Additive
不适用而导致电镀品质恶化必需说明的是这些现像在任何<
/p>
镀液中都存在，但在低金属浓度镀液中特别明显
b.
反应时间的改变
直觉上认为电流密度下降导致电镀
时间加长，
其实并不尽然，
因为其中有
T.P.
的修正效应。
表为
镀
1mil
孔
铜厚度前题下，不同
T.P.
所需反应时间计
算
。
由上表可看出：
－若原有电镀系统之
T.P.
很高，
则降低
J<
/p>
值提高
T.P.
值的贡献有限。
因此使用低铜系统无法
缩
短电镀时间。也就是
Aspect
ratio
低或板厚低时此作法浪费时间降低产能。
－若
Aspect ratio
高或原
有板厚大，
则
T.P.
偏低，
此时若能借着降低电流密度改善
T.P.
，
则
在
某一范围内可缩
短电镀时间。
－若电流密度太低，即使提高
T.P.
，也会造成电镀时间增加
c.
Additive
的考虑
一般<
/p>
Additive
多为有机物；利用该物质吸附在电极表面形成多
孔性薄膜形成电镀
Gap
，
造成极化曲
线偏移，达到提高
T.P.
及改善
di
stribution
的目的。一般而言
Additive
在低电流区吸
附效果较差，
故易形成白化问
题；
若欲提高低电流区的效果，
一般采用分子量大吸附力较强的
Additive
，而此类物质存在下列问题：
－吸附力强易在镀层中残留，形成镀层的
Occlusion
，导致铜层易
Crack
及降低导电性
－
分子量大的东西在操作中易老化分解，因此要注意添加及定期活性碳处理
－分子
量大的物质多半电性较弱，在溶液中不易
Migration
吸
附在阴极。
为修正此一特性，分子量大的
Add
itive
化合物本身多具有水合性强的官能基
(Functi
onal
group)
。此类物质在分子量大时仍可以活性处
理方式法除更新；但若分解为小分子时，会因水
合性太高去除因难而必须
Dump
药液。
为了提
高
T.P.
，一般
Additive<
/p>
多朝向大分子量介面活力强的分子发展。在此状况下，上述
三种缺
点会逐渐呈现影响，在评估细线厚板及高
Aspect
ratio
板子镀液时必须留意。
d.
板厚的影响
一般电镀在考虑
T.P.
时多考虑
Aspect
ratio
，但事实上板厚的绝对值也是一项重要因素。
9.2.2.2
镀
铜
A.
前言
非导体
的孔壁在
PTH
金属化而镀上一层薄无电铜后，
立即进行电镀铜。
电路板以铜为主
< br>要导体
,
是因铜
:
－高导电度
(electrical
conductivity)
－高强度
(strength)
－高延展性
(ductility)
－低成本
而且镀铜液配槽简单
,
后制程蚀刻亦是轻而
易举
,
再加上废液
(
< br>硫酸铜
)
处理容易
,
因此铜被大
量使用
.
装配
由传统的波焊
(Wave
Soldering)
改成由锡膏
(Solder Paste
)
或树脂胶类之定位，使得孔
中不再进行灌锡，
由孔铜负起导电的任务，
因此对镀铜的品质要求更严苛。
而小孔径势之所趋，
使得孔壁的纵横比
(Aspect
Ratio)
值愈来愈大，而今
Build-
up
制程带来更大的挑战
,
如两面盲孔
等
,
镀液及电流都不易深入而必须设法改善使技术升级
.
以下探讨镀铜的现况及趋势
B.
镀铜的演进
a.
传统式硫酸铜
这是属
高铜低酸的传统铜液
,
其分布力
(
Throwing Power)
很不好
,
< br>故在板面上的厚度分布很
不均匀，而且镀层呈柱状组织
(
Columnar)
,
物理性质也很不好，故很快被业界放弃。
b.
高分布力硫酸铜
(High Throwing Power)
高分布力硫酸铜改采高酸量低铜量的方法，从基本配方上着手
,
改进通孔的特性。但由
于添加剂是属于有机染料类，
其在镀液中的裂解物不但使镀液的颜色渐变
,
且使镀层的延展性
的恶化。酸铜液原为蓝色的，经一段时间的操作后竟
然会渐渐的转变成为绿色
，经活性炭处
-
-
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