電鍍銅粒影響因素探究

陳于春 田清山

深南電路有限公司

1 引言

近年來(lái)，印制電路板在電子安裝業(yè)界中越來(lái)越占據(jù)重要地位。印制電路板的終端客戶(hù)對(duì)于印制板外觀(guān)的要求也越來(lái)越高，而電鍍銅粒經(jīng)蝕刻后若仍然殘留板面或線(xiàn)條上，經(jīng)阻焊印油或化金等表面處理后，在板面會(huì)呈現(xiàn)凹凸不平狀。難以滿(mǎn)足客戶(hù)及其終端對(duì)于外觀(guān)苛刻的要求。為此，電路板板面銅粒問(wèn)題改善顯的尤為重要。目前多數(shù)公司在對(duì)于成品板面銅粒問(wèn)題多采取蝕刻后打磨方式，但隨著PCB板朝精、細(xì)、密的發(fā)展趨勢(shì)看，從源頭控制銅粒產(chǎn)生才能最有效，最快捷，最節(jié)省的滿(mǎn)足產(chǎn)品外觀(guān)需求。本文從電鍍銅粒著手，簡(jiǎn)述銅粒產(chǎn)生的影響因素，并提出可行性建議，給整個(gè)銅粒狀況改善提供思路和方向。

2 板面銅粒產(chǎn)生機(jī)理

2.1 電鍍過(guò)程

電鍍就是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過(guò)程。電鍍時(shí)，鍍層金屬做陽(yáng)極，被氧化成陽(yáng)離子進(jìn)入電鍍液；待鍍的金屬制品做陰極，鍍層金屬的陽(yáng)離子在金屬表面被還原形成鍍層。如圖1所示為電鍍過(guò)程中陰陽(yáng)離子的遷移過(guò)程：

圖1

2.2 銅粒在生產(chǎn)中的表現(xiàn)和產(chǎn)生機(jī)理：

電鍍銅時(shí)，作為鍍層金屬的銅離子在待鍍電路板板面被還原成均勻光滑的銅鍍層，偶爾也會(huì)在板面出現(xiàn)凸起的銅顆粒，如圖2所示，切片表觀(guān)如圖3所示。蝕刻后板面若不經(jīng)過(guò)打磨處理，再經(jīng)綠油或化金，板面的凹凸不平呈現(xiàn)的更為明顯。嚴(yán)重影響產(chǎn)品的外觀(guān)。

當(dāng)電鍍槽中電流異常、待鍍板件板面受到污染或?qū)щ娦噪s物粘附于待鍍板面時(shí)，鍍液中的陰極極化過(guò)小，Cu2+還原放電速度太快，晶核形成速度小于成長(zhǎng)速度，則結(jié)晶粗大，由于作為待電鍍的板面放電的活性點(diǎn)少，粗大結(jié)晶上因凸起而易產(chǎn)生尖端放電，主鹽金屬離子在這些點(diǎn)上更容易放電，由此產(chǎn)生惡性循環(huán)。若還原所形成的金屬原子來(lái)不及排列成正常結(jié)晶，則會(huì)胡亂堆積而產(chǎn)生粗糙，直觀(guān)表現(xiàn)在電路板板面即為銅粒。

圖2

圖3

3 板面銅粒影響因素解析

3.1 電鍍缸中電流密度及離子遷移對(duì)銅粒影響探究

多數(shù)公司酸性蝕刻流程，板件在電鍍后有鏟平處理板面銅粒，能有效降低銅粒缺陷。但是堿性蝕刻流程時(shí)，電鍍后板面無(wú)法鏟平處理。即使蝕刻后，考慮到精細(xì)線(xiàn)條，也只能采取手動(dòng)打磨的方式處理銅粒問(wèn)題。為此選取圖電工藝的電鍍線(xiàn)進(jìn)行銅粒問(wèn)題探究。

鼓氣加搖擺的電鍍方式目前應(yīng)用的最為廣泛，其原理就是利用鼓氣對(duì)溶液進(jìn)行攪拌，讓Cu2+很快的能夠得到遷移。垂直于陽(yáng)極的搖擺方式是給板面一個(gè)正壓力，強(qiáng)迫溶液穿過(guò)孔內(nèi)，從而起到了溶液交換的目的。此方法的弊端在于若板比較厚、孔比較小，則搖擺的行程要較大、且速度適中才能起到孔內(nèi)溶液交換的目的。

3.1.1 銅離子數(shù)量與電量的關(guān)系

按照CuSO4: 60 g/L計(jì)算，1L電鍍液中含有×6.02×1023=1.448×1023個(gè)Cu2+，1 mm3里面則含有1.448×1017個(gè)；從電鍍液濃度下降1%處起直到被鍍物表面為止的一薄層液膜稱(chēng)之為“陰極膜”，一般陰極膜厚度在0.2 mm左右?，F(xiàn)在我們假設(shè)厚度為0.01 mm的陰極膜內(nèi)所有銅離子都可以在瞬間順利的電鍍到陰極上，則我們可以把這0.01 mm的厚度看成一個(gè)面，單位面積的這個(gè)厚度里面所含有的Cu2+則為面密度。根據(jù)以上規(guī)定，則Cu2+的面密度為1.448×1015個(gè)/mm2。當(dāng)電鍍3.0 mm板，0.25 mm孔，且單位時(shí)間內(nèi)溶液交換及時(shí)徹底時(shí)，其孔壁面積上存在的Cu2+數(shù)目為1.448×1015×3.14×0.25×3.0＝3.41×1015個(gè)。我們按照電流密度為10ASF計(jì)算，那單位時(shí)間內(nèi)可以提供的電子數(shù)量×3.14×0.25×3.0×6.24×1018=1.58×1015個(gè)，則可以還原7.9×1014個(gè)Cu2+。

從上述數(shù)據(jù)可以得出，單位時(shí)間內(nèi)溶液可以提供的Cu2+數(shù)量是單位時(shí)間內(nèi)能夠還原Cu2+數(shù)量的1.83倍。也就是說(shuō)，如果溶液交換很充分，則單位時(shí)間內(nèi)溶液提供的Cu2+只能有大約一半被還原成金屬Cu。由此可以說(shuō)明，若孔內(nèi)電荷分布均勻，且溶液交換充分，則電鍍出的銅厚應(yīng)均勻性很好。

同樣的道理，若電流密度過(guò)大或本身溶液中酸銅比例失衡（硫酸銅含量低）時(shí)，溶液中可提供的銅離子較之正常電流時(shí)期用于還原的銅離子量會(huì)較少，電流的過(guò)度集中或電流的波動(dòng)勢(shì)必造成銅粒的產(chǎn)生。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，整流機(jī)波動(dòng)較大時(shí)，有出現(xiàn)過(guò)鍍銅粗糙。

3.1.2 Cu2+輸送方式

在1 mol/L硫酸銅溶液中以1 v/cm電位梯度在25 ℃下進(jìn)行電鍍，Cu的絕對(duì)遷移率是5.9×10-3mm/s。當(dāng)陰陽(yáng)極相距10 cm在3V下操作時(shí)，陽(yáng)極溶出的銅離子要93 min才向陰極走1 cm遠(yuǎn)，要15小時(shí)才能達(dá)到陰極表面。故知電鍍的成果，電遷移所占的功勞實(shí)在不大。而當(dāng)溶液溫度為25 ℃時(shí)，Cu2+擴(kuò)散速度大約為0.4 mm/s，同樣擴(kuò)散在長(zhǎng)時(shí)間電鍍的過(guò)程中作用也不明顯。

光亮劑不足及槽液溫度過(guò)高時(shí)，銅缸中銅離子的遷移會(huì)變得異常迅速，急劇的附著于陰極板面上，同時(shí)因光亮劑的缺失，呈現(xiàn)出不規(guī)則的附著和生長(zhǎng)。電鍍完成后呈現(xiàn)為銅顆粒。

3.1.3 電鍍缸中影響銅粒因素小結(jié)

槽液溫度過(guò)高，陰極電流密度過(guò)大，銅離子含量低，陽(yáng)極袋破裂造成金屬小顆?；炻淙芤褐械?。以上因素單一或綜合影響，導(dǎo)致有效的銅離子不能穩(wěn)定致密的附著于電路板板面上。從而形成銅顆粒。

3.2 電路板板面電鍍前污染對(duì)銅粒影響探究

3.2.1 板面靜電對(duì)銅粒影響

物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子由帶負(fù)電的電子和帶正電荷的質(zhì)子組成。當(dāng)兩個(gè)不同的物體相互接觸時(shí)就會(huì)使得一個(gè)物體失去一些電荷如電子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體使其帶正電，而另一物體得到一些剩余電子而帶負(fù)電。若在分離的過(guò)程中電荷難以中和，電荷就會(huì)積累使物體帶上靜電。這樣，運(yùn)動(dòng)的物體在與其它物體接觸及分離的過(guò)程（如摩擦）中，就會(huì)帶上靜電。

圖電流程板件經(jīng)加厚電鍍后仍經(jīng)過(guò)許多流程，包括外圖前處理刷板----貼膜---曝光---顯影等諸多流程，且外圖段多為水平線(xiàn)，和滾輪接觸摩擦的幾率會(huì)大，因此板件板面產(chǎn)生靜電抑或受到污染的概率還是較大。

板面靜電對(duì)PCB線(xiàn)路板影響的理論分析：

這種程度的靜電放電對(duì)線(xiàn)路板表面銅造成的電擊，足以產(chǎn)生極小的銅粒，導(dǎo)致短路，或者產(chǎn)生線(xiàn)路缺口，影響電性能。

對(duì)靜電對(duì)PCB線(xiàn)路板影響試驗(yàn)驗(yàn)證：

對(duì)上述理論分析，做了如下具體試驗(yàn)（見(jiàn)表1）以希求得實(shí)際支持。

表1 靜電放電對(duì)線(xiàn)路板圖形的影響

圖4 靜電放電后產(chǎn)生的微小銅粒

圖5 靜電放電后產(chǎn)生的微小銅絲

從上述試驗(yàn)可以肯定的是，線(xiàn)路板表面在強(qiáng)烈的放電情況下，會(huì)產(chǎn)生微小銅粒及微小缺口。從收集到的樣本和圖片可以看出，銅粒、缺口的大小約在5個(gè)絲以?xún)?nèi)。但是這不等于說(shuō)沒(méi)有更大的銅粒的存在。若靜電作用在圖形電鍍前產(chǎn)生微小的銅顆粒，經(jīng)過(guò)圖形電鍍后會(huì)呈現(xiàn)出放大的特性。表現(xiàn)在電路板板面上即為銅顆?；蜚~絲。

從有關(guān)資料查詢(xún)知，控制由靜電引力引起的雜質(zhì)吸附，對(duì)于雜質(zhì)防范措施的基本原則

（1）雜質(zhì)發(fā)生量＋雜質(zhì)帶入量＜雜質(zhì)排除量

（2）減少雜質(zhì)發(fā)生（不使用有灰塵的材料、振動(dòng)設(shè)備可動(dòng)部位的防塵、防氧化、殺菌）

（3）減少雜質(zhì)帶入（縮短開(kāi)口時(shí)間、堵塞縫隙、進(jìn)氣口過(guò)濾、禁止帶入污染物、除靜電）

（4）加大雜質(zhì)排除（清掃、過(guò)濾、集塵、抑塵、粘著除去、清洗）

綜上可知，板件在經(jīng)外圖段時(shí)，對(duì)外圖潔凈度的要求和防靜電的要求是極高的。

2.2.2 膠類(lèi)物質(zhì)對(duì)銅粒的影響

我公司自2010年3月初開(kāi)始更換外圖貼膜膠輥的供應(yīng)商，在使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)接近更換壽命時(shí)，平均每隔5～6周時(shí)間就會(huì)產(chǎn)生異常銅粒（圖6）。為此在異常銅粒發(fā)生時(shí)，進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證膠輥對(duì)異常銅粒的影響。

圖6

現(xiàn)場(chǎng)選取一異常銅粒嚴(yán)重的板件a,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

表2 異常銅粒影響因素

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：①異常銅粒非電鍍線(xiàn)產(chǎn)生.②外圖為造成異常銅粒的主因。

為此將問(wèn)題鎖定在外圖段，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)外圖膠輥對(duì)異常銅粒貢獻(xiàn)大，為此進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)：

表3 異常銅粒影響因素

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明:膠輥為造成異常銅粒的根因。

從原理上推斷，更換后的膠輥在貼膜時(shí)，作用干膜及板面的靜電要較大，在板邊呈現(xiàn)較大的靜電，放靜電過(guò)程時(shí)，作用板件板邊并產(chǎn)生微小的銅顆粒，經(jīng)圖電后呈現(xiàn)放大。

為此，確保膠輥質(zhì)量，一方面有效預(yù)防膠輥掉膠，同時(shí)能有效降低板件板面靜電，改善異常銅粒的產(chǎn)生。

2.2.3 板面手指印或水質(zhì)異常對(duì)銅粒影響

板面若有嚴(yán)重的手指印，或使用很舊的掉膠手套抓摸板面時(shí)，雖經(jīng)電鍍前處理除油、微蝕等處理，一方面對(duì)于嚴(yán)重的手指印或膠狀晶體小顆粒的粘附，電鍍前處理難以清除掉。另一方面舊手套的抓摸，電路板板面晶核的排布會(huì)發(fā)生變化，造成還原所形成的金屬原子來(lái)不及排列成正常結(jié)晶，則會(huì)胡亂堆積而產(chǎn)生粗糙，直觀(guān)表現(xiàn)在電路板板面即為銅粒。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際選取大銅箔面板件，在夾板操作時(shí)，操作員工裸手抓進(jìn)板面銅面，經(jīng)電鍍后呈現(xiàn)較明顯的堆狀銅粒（圖7）。而未接觸到區(qū)域無(wú)銅粒異常。

圖7

當(dāng)水質(zhì)中含有過(guò)多細(xì)菌時(shí)，在光亮酸銅液中，會(huì)造成陽(yáng)極Cu原子的不完全氧化、陰極上的Cu2+的不完全還原以及Cu2+的歧化反應(yīng)，都不可避免地產(chǎn)生一價(jià)銅Cu+，從而形成Cu2O粉末，微細(xì)的Cu2O粉末也會(huì)懸浮于鍍液中，當(dāng)其夾附于鍍層中時(shí)，即產(chǎn)生銅粒。尤其在酸銅光亮劑敏感電鍍線(xiàn)體會(huì)體現(xiàn)更為明顯。如圖8為A電鍍線(xiàn)水洗缸中有細(xì)菌和正常時(shí)期的對(duì)比，水質(zhì)異常時(shí)期板件電鍍滿(mǎn)板銅粒。更換為正常純水后，板面無(wú)銅粒異常。

圖8

2.3 電鍍周邊附屬設(shè)備對(duì)溶液潔凈度的影響

2.3.1 過(guò)濾效果

眾所周知，垂直電鍍線(xiàn)受其特殊的敞開(kāi)式特點(diǎn)影響，外界的灰塵或顆粒會(huì)跌落缸體中。電鍍線(xiàn)老化后，電鍍周邊附屬設(shè)備生銹老化，鼓氣段長(zhǎng)年未清潔，鼓氣中雜質(zhì)的帶入及生銹搖擺電震雜質(zhì)的跌落缸中，而跌落的雜質(zhì)成分多為可導(dǎo)電的導(dǎo)體，且在缸體中呈現(xiàn)游離狀態(tài)，電鍍過(guò)程中較銅離子更容易粘附板面上，形成銅粒。

為此，倒缸過(guò)濾和日常保養(yǎng)時(shí)，過(guò)濾棉芯的更換，確保過(guò)濾效果顯得尤為重要。

圖9

圖10

2.3.2 銅陽(yáng)極的補(bǔ)加方式

在電鍍保養(yǎng)時(shí)，會(huì)進(jìn)行銅陽(yáng)極的補(bǔ)加，通常補(bǔ)加銅陽(yáng)極時(shí)，先會(huì)采取將陽(yáng)極袋中的陽(yáng)極敲下，然后再行補(bǔ)加。在敲實(shí)陽(yáng)極的過(guò)程中，會(huì)伴隨著陽(yáng)極袋中微小晶體顆粒的落出。雖然事后有電鍍通電處理，但是對(duì)于新加入的陽(yáng)極，表面形成陽(yáng)極膜同時(shí)需要一段時(shí)間。實(shí)際跟進(jìn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，電鍍線(xiàn)保養(yǎng)后加工的前幾批板件銅粒高于正常狀態(tài)下的銅粒不合格水平。

2.4 其它影響因素

2.4.1 電鍍前孔金屬化影響

微蝕槽銅含量過(guò)高或氣溫偏低造成硫酸銅晶體的緩慢析出；槽液渾濁，污染?；罨憾鄶?shù)是污染或維護(hù)不當(dāng)造成，如過(guò)濾泵漏氣，槽液比重偏低，銅含量偏高活化缸使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，3年以上，這樣會(huì)在槽液內(nèi)產(chǎn)生顆粒狀懸浮物或雜質(zhì)膠體，吸附在板面或孔壁，此時(shí)會(huì)伴隨著孔內(nèi)粗糙的產(chǎn)生。

2.4.2 電鍍過(guò)程操作

（1）電鍍時(shí)空夾點(diǎn)，造成電鍍時(shí)空打電流。

（2）陽(yáng)極袋破裂，陽(yáng)極泥析出。將雜質(zhì)落入缸中。

（3）電鍍邊條過(guò)臟，未清潔處理，將雜質(zhì)帶入銅缸中。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際跟進(jìn)銅粒改善過(guò)程，我們可以看到，電鍍板面銅粒影響因素涉及人，機(jī)，料，法，環(huán)，測(cè)等多個(gè)環(huán)節(jié)。板面銅粒是諸多影響因素的一個(gè)綜合產(chǎn)物。為此，對(duì)于過(guò)程中各個(gè)影響因素的綜合控制才能有效抑制和改善銅粒問(wèn)題。人員操作，環(huán)境控制，水質(zhì)監(jiān)控等對(duì)于銅粒的產(chǎn)生影響較大。需要急切給予控制。外圖貼膜膠輥，電鍍上下板使用的膠手套等膠類(lèi)物質(zhì)對(duì)批量異常銅粒產(chǎn)生貢獻(xiàn)大，需要從其使用壽命和規(guī)范上進(jìn)行控制。

[1]朱家駿.林克文等.電路板濕制程全書(shū)[M].臺(tái)灣電路板協(xié)會(huì), 2005.

[2]袁詩(shī)璞.電鍍基礎(chǔ)講座, 鍍層的凸起不平故障[M].

[3]王洪奎. 硫酸鹽光亮鍍銅工藝的幾個(gè)問(wèn)題[M].

[4]蔡積慶.電解銅薄中異常粒子成長(zhǎng)的解析[M].