对PCB线路板沉铜电镀板面起泡原因的解析
& & & 线路板板面起泡的其实就是板面结合力不良的问题，再引申也就是板面的表面质量问题，这包含两方面的内容：1.板面清洁度的问题；2.表面微观粗糙度(或表面能)的问题;所有线路板上的板面起泡问题都可以归纳为上述原因.镀层之间的结合力不良或过低，在后续生产加工过程和组装过程中难于抵抗生产加工过程中产生的镀层应力，机械应力和热应力等等，最终造成镀层间不同程度分离现象。服务器PCB
& & & &现就可能在生产加工过程中造成板面质量不良的一些因素归纳总结如下:
& & & &1. 基材工艺处理的问题;特别是对一些较薄的基板来说,(一般0.8mm以下)，因为基板刚性较差，不宜用刷板机刷板，这样可能会无法有效除去基板生产加工过程中为防止板面铜箔氧化而特殊处理的保护层，虽然该层较薄，刷板较易除去，但是采用化学处理就存在较大困难，所以在生产加工重要注意控制，以免造成板面基材铜箔和化学铜之间的结合力不良造成的板面起泡问题；这种问题在薄的内层进行黑化时，也会存在黑化棕化不良，颜色不均，局部黑棕化不上等问题.
& & & &2. 板面在机加工（钻孔，层压，铣边等）过程造成的油污或其他液体沾染灰尘污染表面处理不良的现象，
& & & &3. 沉铜刷板不良：沉铜前磨板压力过大，造成孔口变形刷出孔口铜箔圆角甚至孔口漏基材，这样在沉铜电镀喷锡焊接等过程中就会造成孔口起泡现象；即使刷板没有造成漏基材，但是过重的刷板会加大孔口铜的粗糙度，因而在微蚀粗化过程中该处铜箔极易产生粗化过度现象，也会存在着一定的质量隐患；因此要注意加强刷板工艺的控制，可以通过磨痕试验和水膜试验将刷板工艺参数调政至最佳；
& & & &4. 水洗问题：因为沉铜电镀处理要经过大量的化学药水处理，各类酸碱无极有机等药品溶剂较多，板面水洗不净，特别是沉铜调整除油剂，不仅会造成交叉污染，同时也会造成板面局部处理不良或处理效果不佳，不均匀的缺陷，造成一些结合力方面的问题；因此要注意加强对水洗的控制，主要包括对清洗水水流量，水质，水洗时间，和板件滴水时间等方面的控制；特别冬天气温较低,水洗效果会大大降低,更要注意将强对水洗的控制; 汽车传感器PCB
& & & & 5. 沉铜前处理中和图形电镀前处理中的微蚀；微蚀过度会造成孔口漏基材，造成孔口周围起泡现象；微蚀不足也会造成结合力不足，引发起泡现象；因此要加强对微蚀的控制；一般沉铜前处理的微蚀深度在1.5---2微米,图形电镀前处理微蚀在0.3---1微米,有条件最好通过化学分析和简单试验称重法控制微蚀厚度或为蚀速率;一般情况下微蚀後的板面色泽鲜艳,为均匀粉红色,没有反光;如果颜色不均匀,或有反光说明制程前处理存在质量隐患;注意加强检查;另外微蚀槽的铜含量,槽液温度,负载量,微蚀剂含量等都是要注意的项目;&
& & & &7. 板面在生产过程中发生氧化;如沉铜板在空气中发生氧化,不仅可能会造成孔内无铜,板面粗糙,也可能会造成板面起泡;沉铜板在酸液内存放时间过长,板面也会发生氧化,且这种氧化膜很难除去;因此在生产过程中沉铜板要及时加厚处理,不宜存放时间太长,一般最迟在12小时内要加厚镀铜完毕;
& & & &8. 沉铜返工不良;一些沉铜或图形转後的返工板在返工过程中因为褪镀不良,返工方法不对或返工过程中微蚀时间控制不当等或其他原因都会造成板面起泡;沉铜板的返工如果在线上发现沉铜不良可以通过水洗後直接从线上除油後酸洗不经委蚀直接返工;最好不要重新除油,微蚀;对于已经板电加厚的板件,应现在微蚀槽褪镀, 注意时间控制,可以先用一两片板大致测算一下褪镀时间,保证褪镀效果;褪镀完毕后应用刷板机后一组软磨刷轻刷然后再按正常生产工艺沉铜,但蚀微蚀时间要减半或作必要调整; & 高频板
& & & &9. 图形转移过程中显影後水洗不足,显影后放置时间过长或车间灰尘过多等,都会造成板面清洁度不良,纤处理效果稍差,则可能会造成潜在的质量问题;
& & &&11. 电镀槽内出现有机污染,特别是油污,对于自动线来讲出现的可能性较大;
& & & &10. 镀铜前浸酸槽要注意及时更换,槽液中污染太多,或铜含量过高,不仅会造成板面清洁度问题,也会造成板面粗糙等缺陷;
& & & &12. 另外,冬天一些工厂生产中槽液没有加温的情况下,更要特别注意生产过程板件的带电入槽,特别是有空气搅拌的镀槽,如铜镍;对于镍缸冬天最好在镀镍前加一加温水洗槽,(水温在30-40度左右),保证镍层初期沉积的致密良好;
& & & &在实际生产过程中,引起板面起泡的原因很多,笔者只能做简要分析,对于不同的厂家设备技术水平可能会出现不同原因造成的起泡现象,具体情况要具体分析,不可一概而论,生搬硬套;上述原因分析不分主次和重要性,基本按照生产工艺流程做简要分析,在此项系列出,只是给大家提供一个解决问题的方向和更开阔的视野，具体情况据现场情况而定。请问PCB电镀中，玻纤铜渣产生的原因是什么？
玻纤铜渣产生的原因主要有两种情况：　　1、批次普遍现象，钻孔工序（槽钻）若是粉尘清除不及时，会出现环氧过多，玻纤丝切除不干净情况。在后期除胶后，玻纤丝会比较多，这种情况显现出的玻纤丝的特点是多且长短不规则。　　2、另外一种情况属于批次中部分问题，玻纤特点长而且细。这种情况主要是在钻头顶部的切削刃口出现有细小缺口，导致切削刃无法完全切削玻纤。主要是钻头进料有缺口或翻磨不良。（来源...
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电镀铜的过去与未来
14:55:37　资料来源:PCBcity　作者: 白蓉生
　　七、镀铜塞盲孔的现状
　　7.1小口径浅盲孔
　　由于硫酸铜添加剂之各种商用制程都具有良好的“微分布力”(Microthrowing Power)，故对口径3mil以下的浅小UV雷射盲孔，在塞满填平方面问题都还不大。通常当面铜到达1mil左右时，其1mil－2mil深的浅小盲孔几乎都可以填满过关，只是某些商业制程的效果较为突出而受到欢迎。此等添加剂系统多半是将整平剂Leveller用量提高，以加速盲孔的塞满填平。由于其等铜孔长度极短，使得加人整平剂后物性不佳而被漂锡拉断的机会为之大减。问题是如此之浅小盲孔在一般电路板上并不存在，唯有少数高阶封装载板上才偶尔出现。经过3年来的量产努力与供应商的持续改善下，电镀铜又有了长足的进步。现将新式填塞盲孔之镀铜与传统PTH细深通孔镀铜之差异可整理如下：　　(1)将用于PTH基本配方的高酸低铜(酸铜10-14/l) 改为低酸高铜，以方便凹陷处铜离子的供应无虑。　　(2)三种添加剂全用且整平剂的用量(与药品选择关系也很大)也还更提高，使在板面上较高电流区，形成整平剂与铜离子竞争的局面，阻止面铜长快长厚。相对的却可使盲孔中光泽剂分布较多的凹陷处有机会镀的快一些，此种理念与做法在IC铜制程的Demascene Copper plating中尤其成功与凑效。　　(3) 最好采用低电流密度操作，以慢工细活的方式改善其结晶强化其物性，故此时阴阳极之间的距离要愈近愈好，以降低其槽液的电阻。且当整体厚度愈厚时，填平效果愈好。甚至有心的业者以DC的三种电流密度先后派用方式；如以7.5ASD先镀20μm，5.5ASD再镀15μm以及10ASD后镀15μm而达到全平。　　(4)至于搅拌与供电方式的影响，则各家说法不一(如Ebara，EJJA，ATO，Enthrone，与LeaRonal等)；有的报告说水箭(Jet Stream)或强流器(Eductor)很有效，有的却说影响不大，可能与所用的添加剂有关。
　　7.2常见的 一阶盲孔
　　手机板上盲孔的口径多在5-7mil之间，二阶盲孔之外口径则常偏大而在8-10mil之间，此等口径目前量产1mil铜厚者都无法填平。为了达到客户的要求，只好在”增一”时，全部先行以较厚镀铜予以填满，再以砂带全面牺牲削平；然后再续做”增二”外层的填孔镀铜。最后虽仍有少许轻微凹陷存在，但对手机板的组装而言已无大碍。下游SMT对此等BGA或CSP之锡膏焊接已可顺利施工，只要不造成盲孔填平的中空虚洞(Voids)，即使铜面些微凹陷(Dimple)对于要求较严封载用载板(Substrates)说来，也已无可厚非瑕不掩瑜。　　然而一旦填孔过程中孔口被镀铜层所挤死，除导致腹内中空不够扎实外，还将因为镀液(稀硫酸之铜液)夹滞其中而包藏祸心，迟早成为致命的乱源，而为客户所疾首痛心无法忍耐。
　　7.3辣手的二阶盲孔
　　在二阶深盲孔之填实镀满尚无把握之前，一般只好先对“增一”之浅盲孔加厚镀铜然后小心削平，使得“二阶盲孔”先得到已填平的下半孔，再针对“增二”的板面尽量做好“对准工程”及雷射成孔，此时上半孔的镀铜也就容易一些了。如此将一次深盲孔的孔壁分成两次来镀满，这种不得已化简为繁的笨办法，除了牺牲效率浪费制程的不够聪明外，如何将增二板面中的某些“上半孔”，逐一精确的对准到已被削平中走样的某些“下半孔”，这种“人上站人”四平八稳的特技功夫，即使本事了得的江湖老手，也必定没法全无闪失！缩小排版放弃产能，成了众多英雄好汉们目前勉强可行的事倍功半！即使如此使劲卖命，其之无法全数对准，也早在意料之中。牛头不对马屁股，一旦被逮著了，悔过书临表泣涕之余，即使认赔还不见得了事呢！
　　7.4晶圆镀铜Damascene Copper Plating
　　半导体10寸或12寸之晶圆(Wafer)，其各层之导线与层间之导孔，目前已由铝导材改成了导电度更好的“铜制程”。其做法是在平坦的圆面上施加光阻，再以电浆法针对部分无光阻的矽材表面刻出沟痕（Trench）或导孔（Via）。去掉阻剂后先用“阴极溅镀法”（Cathodic Sputtering，又称物理蒸镀法Physical Vapor-Deposited，PVD），在晶圆表面与沟孔中一律铺上500A的种子铜，然后再用硫酸铜电镀将沟与孔全数填平，以及晶圆表面也长满铜层，再利用“化学精密削平法”（Chemical Milling Planrization）将面铜全部削除，而只留下深坎在矽材中的铜导体。　　这种铜制程的沟宽（线宽）只有0.13μm，不久将来还将缩细到90nm。至于其镀铜之“纵横比”（Aspect Ratio）少说也要在5:1以上。目前台积电与联电的众好汗们，利用Novellus或Applied Materials等美商所提供的天价机器与药水，照样一一将之镀满填平，不但任何沟孔中不容丝毫微泡，且连待削掉的铜面中也不能出现此许颗粒，否则只好“全圆”报废当成纪念品去了。　　这种超出PCB业者们想像5:l以上的深沟深孔，是如何利用硫酸铜槽镀满填平的？那当然就是砸下银子重赏之下大把钞票的杰作，其所用的药水都是用超纯的基本化学品与添加剂，并用超纯水所配制。在只镀晶圆单面（如锅盖般下）的小型锅状镀槽中，强力搅拌密集连线监控的铜液，与药水持续流进流出中快速完成镀铜。随以超纯水洗槽以便下一片的续镀。只用过一次的昂贵药水立即报废不再使用。100级无尘室中一组六锅，外加各种精密辅助设施与排出变气装备，动辄叫价5百万美元以上是很平常的事。手机板或封装板的填孔镀铜，原理上与晶圆镀铜制程并无不同，然而行情上的差距部是如此云泥霄壤，彼此之迥然有异间夏虫如何语冰？
　　图24.左图及中图为12寸晶圆中，其槽沟式(Trench)导线或导孔(Via)等高纵横比电镀铜之说明，右二图之上图系传统之低铜高酸配方，常会导致深沟镀铜后顶部出现空洞之缺失。但当配方改为高铜低酸后，则各深孔深沟均可填实。
　　八、阳极的种种
　　正统挂镀板面之硫酸铜槽液，一向采用含磷0.04-0.06％(重量比)的磷酸铜合金做阳极。早先电路板业曾使用过长条板状(Slab)，棒状(bar)，或块状(Nugget)等外形。后来为了方便添加管理及着眼于表面积较固定起见，乃由德国先灵公司最先将铜球引入业界，目前已成为所有电路板镀铜的标准磷铜阳极了，以下即为阳极规格及原理的说明：
　　为了配合现场作业及镀层外观品质之考量，还须另加钛网式阳极篮及聚丙烯之外套阳极袋。通常在25ASF之平均电流密度下电压约(2-3V)，阳极对阴极的面积比约在2/1-3/l之间。台湾业界根据长期量产的经验，所用磷铜球的球径在28mm左右，恰好落在欧美业者之小球(球径16mm，成本稍贵)与日本同业的大球(50mm，成本较低)之间。　　铜球表面应保持清洁光亮，须由高品质的无氧铜在隔绝氧气的环境中加入少许磷份，其总体的含氧量不可超过3ppm，金属杂质还须更低，结晶格子愈少晶界愈不明显则愈好，下表2为各种杂质之上限。
　　图25.左为直径28 mm磷铜球晶稀酸微蚀后之微切片画面，其磷粒子颗粒细密且均匀分布于铜材基地中纹理清晰可见。再者其结晶格子与晶界也都不明显，是良好品质的象徵。右图为磷铜球之大型晶格者，晶界过于明显且磷粒子与铜基地组织中之渣粒多，坑洞大，成为不洁氧化物聚集之处，对高品质镀铜颇为不利(此二图系东又悦公司提供)。
　　通常杂质会集中在能量较高的晶界(Boundary)处，在其氧化电位的居高下，溶蚀的过程中最先遭到崩解，聚集的杂质随即会泳入槽液，不但会与有机助剂结合而增加了光泽剂的用量，并还会造成铜层的变脆。
　　8.2 阳极的安放：
　　挂镀槽两侧阳极篮长度以阴极长度的 1/2-2/3为宜，至少比板架(Rack)之下端要短3寸，以减少下缘板边的镀层太厚。篮厚则以1个球径者为最佳，以减少添加时彼此的架空。宽度关系不大，但整体重量以方便一个人在不太吃力下提起为准(10-15kg左右)，且阳极总面积对阴极面积之比应在2/1左右。钛篮外还须加套阳极袋，其内面起毛P.P.布材之孔隙度，以25μm及透气率60cfm者较佳，正常操作下每3-4个月应换新阳极袋，以避免被阳极泥所堵死。
　　8.3 黑膜的生长：
　　纯铜阳极不会长黑膜，加了磷的铜阳极才会长黑膜。所生长的黑膜愈快愈牢则愈好，正式生产前即需采假镀方式(Dummy)让铜球长满黑膜。此种黑膜犹如一道防护网可阻止铜渣铜碎落入槽液中，减少镀层粗糙的功劳极大。
　　8.4磷的功用及分布：
　　加了磷份后会使得铜阴极的导电镀变差，因而溶铜变慢，进可使一般酸性镀锡中溶铜超过镀铜的不平衡现象得以舒缓。原始铸造之铜棒中其磷份会均匀分布于各晶格中，但经由强力槌锻(以冷锻者较佳)而打破晶格后，磷份会重新分布而集中于各晶界处。　　铜球中的磷份还可能抓住被驱赶来的残氧而组成P2O5 ，此种位能较高的晶界会先行溶入槽液中形成阳极泥(Sludge)，如此将造成某些微小未溶铜粒的浮游。故知品质良好的铜球，其磷量分布也较均匀，晶界较多又较宽者其品质必然较差。
　　8.5 非溶解阳极的利弊：
　　正常挂踱铜之操作电压仅2-3V电流密度亦仅25ASF，但总体操作电流却高达数百安培(ASF x Area)。为了克服两极间之槽液电阻，不得不增大可溶阳极所需之表面积，一般为阴极(PCB)两倍以上，以加强导电效果与减少气体发生的不良副反应效果(阳极产生氧气，阴极产生氢气)。阳极的反应：
阴极反应：
　　然而一般其高速水平镀铜(100ASF左右)中，其DSA式非铜阳极虽可进行高速镀铜及免除添加铜球的麻烦，但其总体阳极反应中已无正面的溶铜反应，全部电能只能用于负面的发气效应。如此一来，所得的大量氧气(O2)或氧化性极强的初生态氧(O)，不但对于镀铜展现不了任何的帮忙，反例大扯其后腿，而将各种添加剂一一予以氧化裂解，导致成本的大量虚耗与槽液的加快污染，进而使得镀铜层的品质也难保不为之劣化。而且铜的来源，还要靠氧化铜粉的补充，成本上当然更会上升不少。此种经验这也再次印证，唯有经过长时间大量产的考验者，才是颠扑不破的良品，也才能长留世间。
　　九、结论
　　90年代后期受到高纵横比通孔之孔铜品质压力，电镀板之酸性镀铜技术有了一次大幅度的进步。于此同时半导体业之晶圆生产，也由先前(1997以前)低阶6寸圆或8寸圆所用蒸著铝材之导线与导孔，升级到12寸圆之溅铜与酸性镀铜之铜制程。其线宽或盲孔仅130nm，其孔深却达500nm以上，纵横比5/l以上高难度盲孔的镀铜填满，在极度厚利之诱因下，如此不可思议的镀铜技术照样能够完成使命而且成绩傲然。　　如今2002年之后又受到二阶盲孔镀铜填平之迫切需求，酸性镀铜又将面临挑战而更上层楼。然而欧美电路板业之迅速萎缩，无利可图之的研发工作当然只好慢了下来。台湾科技教育多年之扎根落实，此时正是进入尖端研究领域之良机。全然主导也许还欠火候，但至少分一杯羹应不为过。目前已有少数学界与业界携手努力，假以时日必将有所成就。尚盼有关者能够共同著鞭于镀铜技术的精益求精，让台湾过去30多年来在PCB产业的贡献更加亮丽。
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