單純形優(yōu)化法研究改良型全加成PCB的銅電鍍液配方

何慧蓉，陳際達，*，陳世金，何為，胡志強，郭茂桂，龔智偉

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單純形優(yōu)化法研究改良型全加成PCB的銅電鍍液配方

何慧蓉1，陳際達1，*，陳世金2，何為3，胡志強3，郭茂桂2，龔智偉2

（1.重慶大學化學化工學院，重慶 401331；
2.博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 514000；
3.電子科技大學微電子與固體電子學院，四川 成都 610054）

在銅基電鍍液配方的基礎上，運用單純形優(yōu)化法獲得了適用于改良型全加成法制作印制電路板（PCB）工藝的優(yōu)良銅電鍍液配方：CuSO4·5H2O 71 ～ 84 g/L，硫酸96 ～ 108 mL/L，Cl-44 ～ 65 mg/L，加速劑0.5 ～ 0.9 mL/L，濕潤劑13 ～ 20 mL/L。驗證試驗結果表明，采用該配方在鋁板上進行電鍍，所獲得的銅鍍層均勻、穩(wěn)定，其鍍層厚度的變異系數(shù)（COV）降至2.71% ～ 4.39%，有利于改善全加成PCB產(chǎn)品的品質。

印制電路板；全加成法；電鍍銅；鍍液配方；厚度均勻性；變異系數(shù)；單純形優(yōu)化

First-author's address: School of Chemistry and Chemical Engineering， Chongqing University， Chongqing 401331， China

印制電路板（PCB）的制作工藝主要有減成法［1］、半加成法［2-3］、全加成法［4］等。其中，全加成法是指有選擇性地在絕緣基材上形成導電層，該法具有諸多優(yōu)勢，如可避免側蝕，降低 HDI（高密度互聯(lián)）板厚度，大幅減少銅資源的浪費，因此受到廣泛的關注和研究［4］。但傳統(tǒng)全加成法采用絕緣材料為基體，在形成導電層時要先制作導電種子層，這樣不僅增加了工序，延長了生產(chǎn)周期，而且加重了對環(huán)境的污染［4-7］。為解決這一問題，李東明［8］、楊為正［9］等提出了改良型全加成法（也稱線路轉移法、圖形轉移法），先在導電基板上制作出導電圖案，再經(jīng)壓合將導電層轉移到絕緣基材上。由于該法用導電基材替代絕緣基材，因此直接通過電鍍即可形成銅導電層，不僅節(jié)約了時間、成本，而且在很大程度上減少了環(huán)境污染。鋁本身可導電，與銅的結合力適中，可成功將導電層進行轉移［10］。因此，本文采用鋁板代替絕緣基材，以期在鋁板上形成銅導電層后再經(jīng)壓合，將導電層轉移到PP（印刷電路板用半固化片）基材上。鍍銅液組成對鍍層厚度的均勻性有很大影響，而鍍層厚度的均勻性直接影響線路的形狀，最終影響PCB產(chǎn)品的品質［11-12］。另外，目前PCB制作仍以減成法為主，鍍銅液配方一般都只適用于銅表面電鍍，不一定適用于鋁基體。因此有必要對鍍銅液組成進行優(yōu)化。單純形優(yōu)化法不受實驗因素數(shù)量的限制，在因素較多的情況下使用該法可通過較少的實驗得到較優(yōu)的實驗條件，在大大縮短實驗周期的同時也減少了成本投入［13］。本文以某公司的硫酸鹽體系鍍銅液配方為基礎，以鍍層厚度分布的均勻性為指標，采用單純形優(yōu)化法對鍍銅液各組分含量進行優(yōu)化，以獲得適用于改良型全加成法制造PCB的鍍液配方。

1　實驗

1. 1 主要試劑

CuSO4·5H2O、硫酸、鹽酸，市售分析純；加速劑（硫醇類化合物）、濕潤劑（聚醇類化合物），杰希優(yōu)（深圳）貿(mào)易有限公司；蒸餾水，自制。

1. 2 電鍍銅工藝

基體為0.18 mm厚的鋁板，依次對其進行微蝕（硫酸70 ～ 110 g/L，雙氧水6 ～ 12 g/L）、水洗、酸洗（硫酸20 ～50 mL/L）、水洗、烘干等前處理后裁剪為12 cm × 6 cm（施鍍面積為9 cm × 6 cm）大小，備用。

采用PYI-3020D直流電源（深圳怡展豐儀器），在1 500 mL哈林槽（東莞思博電子材料有限公司）中，使用不溶性鈦網(wǎng)為陽極，于2 A/dm2、空氣攪拌和室溫下電鍍銅65 min。鍍液由CuSO4·5H2O、硫酸、Cl-、加速劑和濕潤劑組成。

1. 3 鍍銅層厚度測量及其均勻性表征

將電鍍后的銅面平均劃分為18個網(wǎng)格區(qū)域，每格的面積為15 mm × 20 mm，并采用牛津CMI-700銅厚測試儀測定每個區(qū)域中心位置的鍍層厚度。根據(jù)測定結果，按式（1）-（3）計算COV（coefficient of variation，變異系數(shù)）。業(yè)界要求COV不超過12%，COV越小，說明鍍層厚度分布的均勻性越好；其波動范圍越窄，說明電鍍穩(wěn)定性越好。

1. 4 單純形法優(yōu)化鍍銅液組成

1. 4. 1 初始單純形構建

以電鍍均勻性COV為指標，選擇CuSO4·5H2O、硫酸、Cl-、加速劑、濕潤劑的含量為因素，優(yōu)化鍍液配方，根據(jù)該公司現(xiàn)有配方各組分的用量范圍選擇初點和步長（見表 1），并選用五因素的均勻設計表 U6（65）構建初始單純形（見表2）。

表1 初點和步長Table 1 Initial points and step lengths

表2 初始單純形頂點Table 2 Initial simplex vertices

1. 4. 2 單純形優(yōu)化過程表的建立

以鍍層厚度的COV為優(yōu)化指標，根據(jù)改進單純形法進行反射、擴大、收縮、內(nèi)收縮等尋優(yōu)操作，找到最優(yōu)的電鍍配方［13］。改進單純形頂點計算公式為：

式中a的取值是根據(jù)按基本單純形法（a = 1）計算新頂點的情況來確定的，具體如下：

（1） 初始單純型中響應值最差的點（壞點）的等距反射，取a = 1，稱為反射，這時改進單純形為基本單純形。

（2） 新頂點的響應值最好時，取a ＞ 1，稱為擴大，是指沿試驗點方向加大步長。

（3） 新頂點的響應值最壞，但比去掉點好時，取0 ＜ a ＜ 1，稱為收縮。

（4） 新頂點的響應值比去掉點更壞時，取-1 ＜ a ＜ 0，稱為內(nèi)收縮。

2　結果與討論

2. 1 優(yōu)化過程及結果

單純形調(diào)優(yōu)過程及結果見表3。如表3所示，在初始單純形的6個頂點中，頂點1的COV最大，即頂點1為最壞點，舍棄頂點1，保留頂點2、3、4、5和6，取a = 1，按式（5）算得頂點1的反射點──頂點7，如頂點7中硫酸銅的質量濃度計算式為0.4 × （60 + 70 + 80 + 90 + 100） -50 = 110 （g/L）。從實驗結果可以看出，頂點7的COV遠遠超出12%，即頂點7的結果比去掉的頂點1更差，因此需要采用-1＜ a ＜ 0進行內(nèi)收縮計算新的試驗點，取a = -0.5，按式（6）算得新頂點8，如頂點8中硫酸銅的質量濃度計算式為0.1 × （60 + 70 + 80 + 90 + 100） + 0.5 × 50 = 65 （g/L）；在新單純形中，頂點8的COV最小，頂點2的COV最大，因此舍棄頂點2，保留3、4、5、6和8，取a = 1算得頂點2的反射點──頂點9；頂點9的COV大于去掉的頂點2，故進一步確定了不能向反射的方向進行優(yōu)化，需要繼續(xù)進行內(nèi)收縮，取a = -0.5計算新頂點10；頂點10的COV最小，效果最好，頂點5的效果最差，繼續(xù)內(nèi)收縮，取a = -0.5算得新頂點11；此時頂點4的結果最差，繼續(xù)內(nèi)收縮，舍棄頂點4，保留頂點3、6、8、10和11，取a = -0.5算得新頂點12。

表3 優(yōu)化過程Table 3 Process of optimization

從單純形優(yōu)化的結果可知，經(jīng)過6次單純形優(yōu)化后，頂點10的效果是最好的，對頂點10進行5次重復驗證試驗，得到平均COV為3.32%，說明頂點10滿足行業(yè)內(nèi)對電鍍均勻性的要求，停止試驗。

在電鍍過程中，鍍液中各組分含量并非一成不變，而是在一定范圍內(nèi)變化。因此，找到適宜的物質濃度范圍對于實際電鍍更具有指導意義。從表3可見，頂點10、11和12對應的COV均較小且很接近，表明對應條件下電鍍的均勻性和穩(wěn)定性良好。即在鋁基上鍍銅的優(yōu)化配方為：CuSO4·5H2O 71 ～ 84 g/L，硫酸96 ～ 108 mL/L，Cl-44 ～ 65 mg/L，加速劑0.5 ～ 0.9 mL/L，濕潤劑13 ～ 20 mL/L。

2. 2 優(yōu)化配方的電鍍均勻性及穩(wěn)定性的驗證

為驗證上述配方是否更佳，分別采用該公司現(xiàn)用配方和優(yōu)化配方對鋁基體電鍍銅，各進行 6組試驗，試驗過程中各組分均在允許的濃度范圍內(nèi)，結果見表4。由表4可見，采用優(yōu)化配方時，最小和最大COV分別為2.71%和4.39%，其波動范圍比現(xiàn)用配方COV的范圍窄，表明優(yōu)化配方的電鍍均勻性和穩(wěn)定性均優(yōu)于現(xiàn)用配方，采用改進單純形法對鍍液配方進行優(yōu)化可行。

表4 優(yōu)化配方的電鍍均勻性與穩(wěn)定性Table 4 Electroplating uniformity and stability of the optimized bath composition

3　結論

在使用單純形優(yōu)化法的過程中，通過進行反射、擴大、收縮、內(nèi)收縮等操作來調(diào)整反射的距離，加速了探索過程并提高了精度。結果表明，鋁板上鍍銅的優(yōu)化鍍液配方為：CuSO4·5H2O 71 ～ 84 g/L，硫酸96 ～ 108 mL/L，Cl-44 ～ 65 mg/L，加速劑0.5 ～ 0.9 mL/L，濕潤劑13 ～ 20 mL/L。采用優(yōu)化配方后，COV從現(xiàn)有工藝的3.82% ～7.28%縮小到2.71% ～ 4.39%，電鍍的均勻性和穩(wěn)定性得到提高。

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［ 編輯：周新莉 ］

Study on copper electroplating bath composition by simplex optimization for PCB made by modified full additive process

HE Hui-rong， CHEN Ji-da*， CHEN Shi-jin， HE Wei， HU Zhi-qiang， GUO Mao-gui， GONG Zhi-wei

Based on the existing bath composition used for electroplating copper on copper substrate， an excellent copper electroplating bath composition for fabrication of printed circuit board （PCB） by modified full additive process was obtained using simplex optimization as follows： CuSO4·5H2O 71-84 g/L， H2SO496-108 mL/L， Cl-44-65 mg/L， accelerant 0.5-0.9 mL/L，and wetting agent 13-20 mL/L. The result of verification test showed that the copper coating on aluminum plate obtained from the given electroplating bath is uniform and stable. The coefficient of variation （COV） of coating thickness is decreased to 2.71%-4.39%， which is favorable for the improvement of PCB products made by full additive method.

printed circuit board； full additive process； copper electroplating； bath composition； thickness uniformity；coefficient of variation； simplex optimization

TQ153.14

A

1004 - 227X （2016） 13 - 0677 - 04

2016-06-01

2016-06-17

2015年廣東省“揚帆計劃”先進印制電路關鍵技術研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目（2015YT02D025）。

何慧蓉（1991-），女，四川綿陽人，在讀碩士研究生，主要研究方向為高密互連印制電路板電鍍技術。

陳際達，教授，（E-mail） chencqu@cqu.edu.cn。