淺析鍍銅深鍍能力與銅消耗

陳躍生 劉敏義（福州瑞華印制線路板有限公司，福建 福州 350014）

淺析鍍銅深鍍能力與銅消耗

陳躍生 劉敏義
（福州瑞華印制線路板有限公司，福建 福州 350014）

單位產(chǎn)品銅消耗量是PCB行業(yè)的主要成本之一，它與成本增加成正相關(guān)關(guān)系，因此降低單位產(chǎn)品的銅消耗量就成為線路板廠家努力的方向。根據(jù)IPC標(biāo)準(zhǔn)，孔中最小銅厚必須18μm。文章采用實(shí)驗(yàn)室哈林槽試驗(yàn)的辦法來模擬電鍍銅生產(chǎn)線的實(shí)際情況，探討影響深鍍能力的各種因素，通過提高線路板的電鍍銅的深鍍能力，在維持孔內(nèi)最小銅厚的前提下，降低單位產(chǎn)品的銅消耗，從而壓低生產(chǎn)成本。

深鍍能力；電鍍銅消耗；哈林槽

1 前言

深鍍能力是指一種電鍍的能力，通常指一定板厚和孔徑條件下，電鍍后孔內(nèi)與孔口鍍層厚度的比值。做孔垂直金相切片，讀取孔內(nèi)銅厚數(shù)據(jù)、孔邊沿的銅厚數(shù)據(jù)。深鍍能力的計(jì)算方法包括：極差法和平均法兩種。這兩種方法都可以作為一定板厚和孔徑條件下，該條生產(chǎn)線的深鍍能力值。當(dāng)然，還要考慮其同一板中小孔的不同位置的分布狀況。深鍍能力越大，在一定的條件下電鍍后的孔內(nèi)的銅的厚度就越大；也就是說，深鍍能力提高是指消耗相同的銅，更多的銅被鍍?cè)诳變?nèi)，面上鍍的銅就會(huì)相對(duì)減少，孔內(nèi)鍍的銅厚和板面銅鍍的銅厚就會(huì)比較接近，使得孔內(nèi)與板面上的銅的比增加，從而使孔中銅厚達(dá)到客戶要求，又可以不增加成本，所以提高深鍍能力可以有效的減少銅消耗量。

2 深鍍能力和銅耗量的計(jì)算

2.1 深鍍能力的計(jì)算

深鍍能力計(jì)算分為平均法和極差法兩種?？字秀~厚采集點(diǎn)如圖1所示。

圖1 孔的銅厚測(cè)量點(diǎn)剖面示意圖

極差法深鍍能力（X）計(jì)算公式為：

假設(shè)孔口的銅厚與板面新增的銅厚相同，采用平均法深鍍能力（Y）的計(jì)算公式為：

又假設(shè)孔中兩點(diǎn)的銅厚和孔口四點(diǎn)的銅厚相等，也就是：孔中：E=F，均用b表示；孔口：A=B= C=D，均用a表示，則（1）和（2）可簡(jiǎn)化為：

從式（6）可以看出，平均法計(jì)算的深鍍能力大于極差法計(jì)算的深鍍能力，采用極差法比平均法計(jì)算深鍍能力更為嚴(yán)苛，計(jì)算的深度能力值可以拉開較大的距離，因此文章采用極差法進(jìn)行計(jì)算。

2.2 單位面積產(chǎn)品銅耗量計(jì)算

已知： 銅密度ρCu =8.96 g/cm3；

假設(shè)：一銅和二銅合計(jì)電鍍銅總厚度= 24.2 μm（一銅鍍7 μm、二銅鍍17.2 μm）；

計(jì)算公式為：G銅耗=（G1umcu*G一銅耗+G1umcu*G二銅耗* 87.65%）*89.54%*97.8%*85%

其中：G銅耗： 表示單位面積產(chǎn)品銅消耗；

G1umcu：表示1 μm銅厚每平米銅質(zhì)量（重量）；

G一銅耗：表示一銅鍍7 μm（兩面）銅耗量：

G二銅耗： 表示二銅鍍17.2 μm（兩面）銅耗量：

87.65%：表示每PNL的平均受鍍面積；

89.54%：表示出貨面積與開料面積比；

97.8%：表示成品率；

85%：表示0.3 mm孔徑深鍍能力。

（1）計(jì)算1 μm銅厚每平米銅質(zhì)量（重量）：

（2）一銅鍍7 μm（兩面）銅耗量：

（3）二銅鍍17.2 μm（兩面）銅耗量（某PCB企業(yè)工程部計(jì)算33種板的平均受鍍面積比為87.65%）：

（4）單位面積產(chǎn)品銅消耗：

實(shí)際出貨面積與開料面積比89.54%，成品率97.8%（報(bào)廢率2.2%），直徑0.3 mm孔銅深鍍能力85%，每平方米產(chǎn)品銅消耗

如果深鍍能力由85%降為80%的話，根據(jù)上面的公式可以算出，單位產(chǎn)品銅消耗就變?yōu)?58.5 g/m2，因此深鍍能力對(duì)單位產(chǎn)品銅消耗的影響非常大。

3 控制最小孔銅厚度不超標(biāo)的方法

3.1 尋找最薄孔銅的位置

首先，要尋找最小整個(gè)電鍍片到底哪些孔是最小的，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)最小孔一般集中在BGA處，而且BGA處的受鍍面積也相對(duì)較大，因此孔銅的平均厚度也比其他位置相同孔徑的孔銅來的薄些。

3.2 計(jì)算平均深鍍能力

對(duì)BGA孔進(jìn)行金相切片（起碼做30 PCS以上的切片），得出極差法深鍍能力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

假設(shè)深鍍能力為80%的話，孔中銅厚正好為18 μm，孔口的厚度應(yīng)為

a=b/X，既是a=18/80%=22.5 μm。

3.3 通過標(biāo)準(zhǔn)差來確定孔銅厚度的控制點(diǎn)

要保證最小孔銅厚度大于或者等于18 μm，就必須考慮孔銅厚度個(gè)樣的標(biāo)準(zhǔn)差這個(gè)因素。如果標(biāo)準(zhǔn)差=1 μm，按3σ進(jìn)行分解計(jì)算可以得出：孔中的孔銅厚度控制點(diǎn)=b+3σ=18+3*1=21 μm；孔口的孔銅厚度=a+3σ=22.5+3*1=25.5 μm。

3.4 孔內(nèi)最小銅厚控制點(diǎn)設(shè)定

顯然采用大量切片的辦法來控制銅厚是不經(jīng)濟(jì)的，要尋找簡(jiǎn)捷有效的辦法來測(cè)量孔銅的厚度。根據(jù)大量的切片數(shù)據(jù)分析得出，BGA孔口的平均孔銅厚度a與銅面的平均銅厚近似相等，也與采用渦流孔銅厚度測(cè)試儀測(cè)量的（如孔徑為1.0 mm這樣的孔）孔銅厚度平均值基本相等。這樣我們就可以采用渦流測(cè)厚儀來定量控制0.3 mm的孔銅厚度。

上述例子的控制點(diǎn)就可設(shè)置為25.5 μm。

如果標(biāo)準(zhǔn)差為1.0 μm不變，深鍍能力由80%提高到85%的話，我們可以得出渦流測(cè)厚儀測(cè)量孔銅厚度的控制點(diǎn)=（18/85%）+3*1=24.2 μm。

如果深鍍能力為80%不變，標(biāo)準(zhǔn)差由1.0 mm變?yōu)?.5的話，我們可以得出渦流測(cè)厚儀測(cè)量孔銅厚度的控制點(diǎn)=（18/80%）+3*1.5=27.0 μm。

從上述計(jì)算可以看出，深度能力和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)控制孔銅最小厚度不超過18 μm都非常重要。標(biāo)準(zhǔn)差的控制主要是電鍍片甚至是整個(gè)飛巴電鍍均勻性的問題，這不是文章的探討重點(diǎn)，因此我們集中討論深鍍能力對(duì)結(jié)果的影響。

4 哈林片準(zhǔn)備和平均鍍銅厚度計(jì)算

影響電鍍銅深鍍能力不外乎有兩點(diǎn)，一是電鍍參數(shù)的選擇，二是光亮劑的選擇。我們期望通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，找到電鍍參數(shù)變化和光亮劑變化對(duì)深鍍能力的影響程度的因果關(guān)系。采用哈林槽實(shí)驗(yàn)?zāi)M電鍍銅生產(chǎn)線的電鍍情況（圖2），比電鍍現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)要簡(jiǎn)單很多，而且變更電鍍參數(shù)和光亮劑都非常靈活。

圖2 哈林槽

4.1 哈林片制作

為消除哈林槽實(shí)驗(yàn)時(shí)，打氣引起的電鍍銅溶液爬升而造成的受鍍面積不確定的影響，特地把哈林片的液位上方挖兩個(gè)方塊（圖3），這樣即便打氣液面上升，受鍍面積也是固定的。

圖3 哈林片

4.2 平均鍍銅厚度的測(cè)量

電鍍后銅厚平均增加值如果采用切片法測(cè)量準(zhǔn)確性較差，因此我們采用哈林槽實(shí)驗(yàn)前后，用分析天平來稱取重量的辦法來解決問題，最終通過增重（△G）、銅金屬密度（ρCu）和受鍍面積（S）等三個(gè)參數(shù)來推導(dǎo)出增加的厚度（△H）

△H（μm） = △G/ρCu* S*10000

這樣計(jì)算就非常準(zhǔn)確，而且也不受電流密度和電鍍時(shí)間計(jì)量不準(zhǔn)確的影響。

5 正交實(shí)驗(yàn)分析電鍍參數(shù)變化對(duì)深鍍能力的影響

電鍍生產(chǎn)中影響深鍍能力的因素眾多，其電鍍條件包括孔徑厚度比、酸銅比、光亮劑的用量和電流密度，各因素影響深鍍能力的大小程度不一樣，另外，各因素中還包含許多水平，比如孔徑厚度比有1：5、1：6、1：7.5，哪個(gè)水平比較好，也是我們考察的對(duì)象，如表1。正交試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫膸臀覀兎治鲞@些問題，如表1～表3與圖4。

正交試驗(yàn)的結(jié)論：四個(gè)因素對(duì)深鍍能力的影響程度有：電流密度＞孔徑厚度比＞酸銅比＞光亮劑的量；三個(gè)水平變量對(duì)深鍍能力的影響程度有：孔徑厚度比1：5＞1：6＞1：7.5，酸銅比13：1＞11.5：1＞10：1，光量劑的用量是12 ml/L＞9 ml/L＞6 ml/L，電流密度是1.67 A/dm2＞2.08 A/dm2＞2.50 A/dm2。

通過正交試驗(yàn)，找到了影響銅厚的主要因素，以后在生產(chǎn)中可以更加靈活的改變條件，提高深鍍能力。

表1 驗(yàn)因素

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

表3 極差分析

6 不同銅光亮劑對(duì)深鍍能力的影響

光亮劑對(duì)電鍍的影響非常大，不同光亮劑的深鍍能力有差異，好的光亮劑會(huì)增加孔的深鍍能力，能滿足客戶對(duì)銅厚的要求。于是分別對(duì)三種不同光亮劑（國(guó)外的SP-2000光亮劑、國(guó)外的PCM+光亮劑和國(guó)產(chǎn)B光亮劑）進(jìn)行哈林槽的對(duì)比試驗(yàn)，在2.08 A/dm2電流密度下電鍍60 min，然后做切片，統(tǒng)計(jì)分析求出不同光亮劑的深鍍能力。

三種光亮劑各做兩個(gè)樣片進(jìn)行哈林槽實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)得出深鍍能力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4。

從上面的數(shù)據(jù)表可以看出，SP-2000光亮劑的深鍍能力為84.3%；PCM+光亮劑的深鍍能力為72.6%； B光亮劑的深鍍能力為76.9%；說明國(guó)外SP-2000光亮劑深鍍能力最好，可以更加有效的降低銅耗。

7 總結(jié)

（1）深鍍能力的計(jì)算方法，采用極差法比采用平均法計(jì)算深鍍能力更為嚴(yán)格，能更好的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。從單位面積產(chǎn)品銅消耗計(jì)算方法可以看出，如果深鍍能力由85%降為80%的話，單位產(chǎn)品銅消耗就會(huì)從525.6 g/m2提高到558.5 g/m2，因此深鍍能力對(duì)單位產(chǎn)品銅消耗的影響非常大。

（2）最薄孔銅的位置是在最小孔比較集中的BGA處，對(duì)BGA孔進(jìn)行金相切片，得出極差法深鍍能力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，從而更好的控制孔內(nèi)銅厚，使孔銅最小厚度不超過18 μm。

圖4 各因數(shù)影響效應(yīng)曲線圖

表4 三種光亮劑哈林槽實(shí)驗(yàn)

（3）電鍍后銅厚平均增加值采用切片法測(cè)量準(zhǔn)確性較差，采用哈林槽實(shí)驗(yàn)前后，用分析天平來稱取重量的辦法來解決問題，最終通過增重（△G）、銅金屬密度（ρCu）和受鍍面積（S）等三個(gè)參數(shù)來推導(dǎo)出增加的厚度（△H），這樣計(jì)算比較準(zhǔn)確，而且也不受電流密度和電鍍時(shí)間計(jì)量不準(zhǔn)確的影響。

（4）通過正交試驗(yàn)，找到了四個(gè)因素對(duì)深鍍能力的影響程度：電流密度＞孔徑厚度比＞酸銅比＞光亮劑的量；找到了最佳電鍍條件：孔徑厚度比為1：5，酸銅比為13：1，光量劑的用量為12 ml/L，電流密度為1.67 A/dm2。這樣在生產(chǎn)中可以更加靈活的改變電鍍條件，提高深鍍能力，減少銅耗。

（5）通過光亮劑的對(duì)比試驗(yàn)，深鍍能力：SP-2000光亮劑＞B光亮劑＞PCM+光亮劑。說明國(guó)外SP-2000光亮劑深鍍能力最好，選用SP-2000光亮劑可以更加有效的降低銅耗。

Analysis of deep copper plating ability and copper consumption

CHEN Yao-sheng LIU Min-yi

Copper consumption per unit product of is one of the main sources for the PCB industry cost. It is almost positively correlated to the increase of costs， thus reducing the unit product of copper consumption has become the direction of the circuit board manufacturers. According to the IPC standard， 18 microns copper thickness must be plated above the hole. The laboratory haring cell test method is to simulate the actual situation of the copper electroplating production line， to investigate the influence of deep plating ability of various factors. By improving the circuit board copper electroplating deep plating ability under the premise of maintaining the inner hole of the minimum copper thickness， we can reduce the unit product of copper consumption， and thus lower the production cost.

Deep Plating Ability； Electroplating Copper Consumption； Haring Cell

TN41

：A

：1009-0096（2015）10-0059-05