薄膜工藝陶瓷基板面銅均勻性改善工藝研究

李保忠 秦典成 肖永龍 張軍杰(樂(lè)健科技(珠海)有限公司， 廣東 珠海 519180)

薄膜工藝陶瓷基板面銅均勻性改善工藝研究

李保忠 秦典成 肖永龍 張軍杰(樂(lè)健科技(珠海)有限公司， 廣東 珠海 519180)

利用薄膜工藝在陶瓷表面得到銅薄膜，并利用電鍍工藝對(duì)薄膜進(jìn)行加厚。同時(shí)，針對(duì)電鍍銅厚的不均勻性，通過(guò)調(diào)整鍍液成分、縮短陽(yáng)極排列長(zhǎng)度，調(diào)整鈦籃間距并改善電力線分布等電鍍工作條件，使Top面銅厚極差由19.24μm降至10.32μm，CPK由0.78升至1.59。Bot面銅厚極差由18.12μm降至11.43μm，CPK由0.88升至1.79，極大地改善了電鍍銅厚的均勻性，增加了陶瓷表面精細(xì)線路制作的可能性，為有覆晶/共晶工藝要求的LED光學(xué)器件提供了具備良好平整度、共面度及光潔度的高效散熱載體。

電鍍；均勻性；極差；陶瓷；精細(xì)線路

0 引言

隨著PCB逐漸朝輕、薄、短、小的趨勢(shì)發(fā)展，線路的精細(xì)化程度要求也越來(lái)越高，從而也要求線寬與線距越來(lái)越小。全板電鍍銅厚均勻性是精細(xì)線路制作過(guò)程中不可忽視的重要因素之一，板面銅厚如果不均勻，將導(dǎo)致不同厚度的銅面在同一時(shí)間內(nèi)的蝕刻情況不一致，從而造成線路過(guò)蝕或間距不足[1]。

研究發(fā)現(xiàn)，在正常蝕刻條件下，對(duì)于相同間距的線路要求，面銅厚度差異為10μm時(shí)，線寬差異大約為12.5μm(0.5mil)。但當(dāng)銅厚差異為25μm時(shí)，線寬差異最大可達(dá)1.3mil以上。同時(shí)，在精細(xì)線路制作時(shí)，由于要求線寬越來(lái)越小，導(dǎo)致在相同公差控制要求下，線寬的控制范圍越來(lái)越小，其控制難度更大[2]。因此，提升電鍍的均勻性，減小面銅厚度之間的差異以達(dá)到減小線路的線寬差異，對(duì)精細(xì)線路制作工藝的研究顯得非常重要。

薄膜工藝陶瓷基板在PVD之后，還需要經(jīng)化學(xué)銅和全板電鍍才能達(dá)到規(guī)定的厚度要求。全板電鍍是指線路板在經(jīng)化學(xué)沉銅后，一次性將面銅鍍到所需銅厚的一種電鍍方式，電鍍銅的基本過(guò)程如下：

(1)陽(yáng)極過(guò)程：銅陽(yáng)極在硫酸溶液中發(fā)生陽(yáng)極溶解，提供了鍍液中所需的Cu2+。

Cu-2e→Cu2+

(2)陰極過(guò)程：含有硫酸銅、硫酸的鍍銅液中，在直流電壓作用下，會(huì)如下電極反應(yīng)

Cu2++2e→Cu

但由于受到尺寸與電鍍夾具設(shè)計(jì)之限制，在電鍍加厚過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)銅厚不均勻的現(xiàn)象。往往因銅厚極差過(guò)大，導(dǎo)致后續(xù)線路制作過(guò)程中出現(xiàn)蝕刻不盡而導(dǎo)致報(bào)廢。以此，有必要針對(duì)銅厚不均勻的形成原因進(jìn)行分析并提出改善措施，為薄膜工藝陶瓷基板的產(chǎn)業(yè)化提供必要的技術(shù)支撐。

1 現(xiàn)有電鍍工藝

1.1 掛板方式

因陶瓷基板往往尺寸較小，故傳統(tǒng)的適合較大尺寸PCB的電鍍夾具便不能應(yīng)用于陶瓷基板的電鍍。為了生產(chǎn)上的方便，我們?cè)O(shè)計(jì)了帶有卡槽的鐵質(zhì)電鍍夾具，每個(gè)夾具可掛板6片。同時(shí)，為了分析造成電鍍不均勻性的原因，于每塊板上正反面各取9個(gè)量測(cè)點(diǎn)，以便于電鍍銅厚數(shù)據(jù)的收集。具體掛板方式及銅厚量測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 電鍍掛板方式及銅厚測(cè)量點(diǎn)位置

1.2 電鍍參數(shù)設(shè)定

待確定好陶瓷基板電鍍的掛板方式后，再設(shè)置好如表1所示的工藝參數(shù)，以便于陶瓷基板表面銅電鍍加厚。

表1 電鍍工藝參數(shù)

1.3 銅厚均勻性現(xiàn)狀

電鍍銅厚的均勻性主要通過(guò)銅厚的最大值、最小值、極差、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差及CPK值等來(lái)體現(xiàn)，其中極差和CPK值是評(píng)估整體銅厚均勻性的主要指標(biāo)。在工程應(yīng)用中，極差被定義為最大值與最小值的差值，CPK則被稱之為過(guò)程能力指數(shù)，該值越大則電鍍銅厚均勻性越佳。

(1)電鍍銅厚極差

利用銅厚測(cè)試儀對(duì)采用現(xiàn)有電鍍工藝所得陶瓷基板Top面和Bot面所取之54個(gè)點(diǎn)逐一量測(cè)銅厚，其結(jié)果分別如表2和3所示。

經(jīng)觀察并分析可知，Top面最大銅厚為79.29μm，最小銅厚為60.05μm，銅厚極差為19.24μm。而Bot面最大銅厚為78.31μm，最小銅厚為60.19μm，銅厚極差為18.12μm。飛巴上方及左右兩邊邊緣區(qū)域的銅厚明顯高于中部區(qū)域，飛巴頂端銅厚也明顯高于底端銅厚，同一面銅厚極差達(dá)到19um，這顯然不適合精細(xì)線路的制作，亟需改善。

(2)電鍍過(guò)程能力

圖2和圖3反應(yīng)了現(xiàn)有電鍍工藝電鍍時(shí)的過(guò)程能力大小，即電鍍銅厚均勻性的好壞。由圖2和圖3可見(jiàn)，Top面的CPK為0.78，Bot面的CPK為0.88，與行業(yè)對(duì)CPK所要求的1.3還相差甚遠(yuǎn)。

2 銅厚不均勻原因及改善方案

2.1 不均勻性原因分析[3-7]

(1)邊緣效應(yīng)的影響

根據(jù)法拉第電解定律可知，鍍層的厚度與電流成正比，假設(shè)鍍層的密度為一定值，則鍍層的厚度分布完全由陰極電流的分布所決定。在進(jìn)行電鍍時(shí)，金屬離子按電力線的排布來(lái)進(jìn)行電遷移。因同性相斥，板中央因電位較低，電力線較為稀疏，所以鍍層薄。而板邊板角因電位較高，電力線排列較密集，故而鍍層厚較厚。

(2)藥水流動(dòng)性

因電鍍所采用的是深槽自動(dòng)線，槽深掛具長(zhǎng)，陰極擺動(dòng)時(shí)，下排板擺動(dòng)差，藥水穿孔流動(dòng)差，下排板孔內(nèi)銅離子補(bǔ)充較為困難，所以下排板面銅厚度薄。

(3)光劑PCM的分散性不佳

PCM的分散性不佳，導(dǎo)致了藥水的濃度受一定的影響，而藥水濃度不一致則會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致鍍銅均勻性受影響。

(4)陽(yáng)極面積的影響

生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，陽(yáng)極與陰極的面積比的最佳值應(yīng)該是(2～4):1。在計(jì)算陽(yáng)極與陰極面積比時(shí)應(yīng)考慮到鈦籃的所有面的面積總和以及鈦籃中銅角表面積的系數(shù)。如果用12個(gè)鈦籃，陽(yáng)極面積與陰極面積的比值為8:1，此時(shí)陽(yáng)極上鈦籃排列長(zhǎng)度超過(guò)與陰極上板排列長(zhǎng)度，陽(yáng)極過(guò)大，電力線也過(guò)多，電力線的排布更不均勻。這樣會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極杠兩端電力線密集，孔銅、面銅鍍層較厚，而陽(yáng)極桿中部電力線稀疏，孔銅、面銅鍍層較薄。

2.2 鍍銅均勻性改善方案

(1)調(diào)整鍍液成分及電鍍條件

原電鍍液成分及電鍍條件雖然符合“高酸、低銅、低電流及長(zhǎng)時(shí)間”的原則，但還不是最佳，因此作如下優(yōu)化：

①將鍍液CuSO4·5H2O濃度調(diào)整為62g/L；H2SO4濃度調(diào)整為115mL/L ；Cl-濃度調(diào)整為68×10-6。

②選用分散性佳、賴溫性更好的光劑125T替代原有的PCM。

③降低電流密度至15ASF，并延長(zhǎng)電鍍時(shí)間至90-120分鐘。

(2)調(diào)整陽(yáng)極，改善電力線分布

原用鈦籃數(shù)量為12支，且陽(yáng)極排列長(zhǎng)度超過(guò)了飛巴上板的排列。同時(shí)陽(yáng)/陰極面積之比為8:1，比例過(guò)大，電力線過(guò)多。飛巴兩端因電力線密集，因此孔銅及面銅較厚，而飛巴中部則因電力線稀疏，孔銅及面銅較薄。

表2 Top面電鍍銅厚(μm)

圖2 Top面銅厚過(guò)程能力

圖3 Bot面電鍍過(guò)程能力

鑒于此，現(xiàn)將12支鈦籃減為8支，縮短陽(yáng)極排列長(zhǎng)度，增加鈦籃間距。同時(shí)在陽(yáng)極桿兩端的鈦籃中插入PVC管，減少銅角數(shù)量后并再調(diào)整鈦籃間距。

經(jīng)上述調(diào)整后，得到如下表4所示的電鍍工藝參數(shù)：

表4 調(diào)整后的電鍍工藝參數(shù)

3 鍍銅均勻性改善結(jié)果

3.1 電鍍銅厚均勻性

按調(diào)整后的電鍍工藝參數(shù)進(jìn)行電鍍，對(duì)所得陶瓷基板Top面和Bot面所取之54個(gè)點(diǎn)逐一量測(cè)銅厚，其結(jié)果分別如表5及表6所示。

經(jīng)觀察并分析可知，Top面最大銅厚為74.56μm，最小銅厚為62.24μm。Bot面 最 大 銅 厚 為75.56μm，最小銅厚為64.13μm。根據(jù)極差的定義可知，Top面銅厚的極差為10.32μm，Bot面銅厚的極差為11.43μm。

3.2 電鍍過(guò)程能力

圖4和圖5反應(yīng)了電鍍時(shí)的過(guò)程能力大小，即電鍍均勻性的好壞。由圖4和圖5可見(jiàn)，Top面的CPK 為1.55，Bot面 的CPK 為1.67，以超出行業(yè)對(duì)CPK所要求的1.3。

結(jié)合極差的結(jié)果來(lái)看，調(diào)整后的電鍍方案有效改善了薄膜工藝陶瓷基板表面銅厚的均勻性。

4 結(jié)語(yǔ)

薄膜工藝陶瓷基板的銅厚均勻性對(duì)精細(xì)線路制作將會(huì)產(chǎn)生重要影響，鍍液成分、陽(yáng)極排列長(zhǎng)度，鈦籃間距及電力線分布等是影響電鍍均勻性的關(guān)鍵因素，通過(guò)選用62g/L 的CuSO4·5H2O、115mL/L的H2SO4及 的68×10-6Cl-的 鍍液及125T光劑，調(diào)整電流密度降到15ASF，延長(zhǎng)電鍍時(shí)間至90-120分鐘；同時(shí)將12支鈦籃減為8支，縮短陽(yáng)極排列長(zhǎng)度，增加鈦籃間距，并在陽(yáng)極桿兩端的鈦籃中插入PVC管，減少銅角及再調(diào)整鈦籃間距等方式，可將Top面極差由19.24μm 降低至10.32μm，Bot面銅厚均勻性極差由18.12μm降至11.43μm；Top面CPK由0.78升至1.55，Bot面CPK 由0.88升 至1.67。這表明電鍍過(guò)程能力得到了大幅提升，面銅均勻性也得到了極大的改善，使陶瓷表面精細(xì)線路的制作成為可能。

圖4 Top面電鍍過(guò)程能力

圖5 Bot面電鍍過(guò)程能力

表5 Top面面銅厚度

表6 Bot面面銅厚度

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《化工管理》雜志征稿函

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Copper film,which could be thickened by panel plating,was obtained using DPC technology.Meanwhile,the copper plating thickness range was greatly decreased from 19.24μm to 10.32μm with the CPK increasing from 0.78 to 1.59 on top surface.The copper plating thickness range was sharply decreased from 18.12μm to 11.43μm with the CPK increasing from 0.88 to 1.79 on bottom face by adjusting ingredient of plating solution and shortening anodequeuing distance for the improvement of power line distribution,which led to the possibility of Fine line fabrication on Ceramic surface and provide a high ef ficiency heat dissipation carrier of good evenness,good coplanarity and good fineness for LED optical devices that have flip chip and Eutectic technology needs.

Plating; evenness; Range; ceramics; fine line