GCM恒電流庫倫測(cè)厚儀及XRF熒光光譜測(cè)厚分析儀在有機(jī)納米銀鍍層厚度測(cè)量上的研究

王 芳

(確信樂思化學(xué)(上海)有限公司，上海 201417)

有機(jī)金屬納米銀有機(jī)金屬鍍層的推薦測(cè)試方法是使用本公司自主研發(fā)的GCM(Galvanostatic Coulometric Measurement)恒電流庫倫測(cè)厚儀來測(cè)量其厚度。該方法是一種電化學(xué)測(cè)試分析方法，采用三電極體系，在反電極和工作電極之間通電流，并根據(jù)參考電極監(jiān)控測(cè)量的工作電極電勢(shì)。在進(jìn)行厚度檢測(cè)時(shí)，將已知面積的有機(jī)金屬鍍層表面浸泡于特定的電解液中并施以恒定電流，通過電極電勢(shì)的變化檢測(cè)有機(jī)金屬鍍層是否完全溶解。GCM測(cè)厚方法準(zhǔn)確有效，由于該設(shè)備還沒有廣泛的應(yīng)用于印制線路板廠，XRF測(cè)厚法更普遍應(yīng)用于鍍層厚度的測(cè)量。每種元素在一定激發(fā)下可發(fā)出X射線，其強(qiáng)度同厚度成正比，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試發(fā)現(xiàn)用XRF對(duì)有機(jī)金屬納米銀進(jìn)行厚度測(cè)量，直接讀出的測(cè)量結(jié)果是相對(duì)值，與GCM的偏差很大。為更好地解決有機(jī)金屬納米銀在客戶端的測(cè)厚問題，研究了對(duì)傳統(tǒng)的XRF測(cè)厚法及GCM測(cè)厚法在有機(jī)金屬納米銀上的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試片

本公司自主研發(fā)的GCM(Galvanostatic Coulo metric Measurement)恒電流庫倫測(cè)厚儀；XRF熒光光譜測(cè)厚分析儀，型號(hào)SII SFT9200；測(cè)試采用本公司自主設(shè)計(jì)的GCM膜厚標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試片OC-3板。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

用GCM膜厚標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板OC-3板，底銅厚度為60 μm。準(zhǔn)備5種不同厚度的有機(jī)金屬納米銀的樣板，有機(jī)金屬鍍層的厚度(Std)分別是60、70、80、100、120 nm。分別用GCM和XRF測(cè)試對(duì)應(yīng)5 mm×5 mm位置的厚度數(shù)值，每個(gè)厚度測(cè)試6個(gè)不同的位置，最后得到30組GCM數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的30組XRF數(shù)據(jù)。然后把相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到Minitab分析軟件中，就可以得到相關(guān)的線性回歸曲線。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表1、圖1)

表1 GCM和XRF厚度測(cè)試結(jié)果

圖1 GCM 和XRF線性回歸曲線

根據(jù)Minitab的分析，可以得到關(guān)于GCM 和XRF的線性回歸方程式如下：

GCM=-15.78+30.49×0.039 37XRF

例如，如果XRF的讀數(shù)是102.39 nm，代入線性回歸公式：GCM=107 nm。對(duì)應(yīng)的5 mm×5 mm 位置的有機(jī)金屬納米銀厚度即為107 nm，有了這個(gè)線性回歸方程式，能夠快速便捷地用XRF測(cè)試出有機(jī)金屬鍍層的厚度。

2 拓展研究

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試研究中還發(fā)現(xiàn)，上述的線性回歸方式并不適用于所有的測(cè)試樣板，線性回歸方式的建立與Pad(方形盤)的大小，底銅銅厚有著密切的關(guān)系。

2.1 Pad的大小對(duì)有機(jī)金屬納米銀厚度的影響

用GCM去測(cè)量不同大小的Pad的有機(jī)金屬納米銀厚度，測(cè)試片及測(cè)試結(jié)果見圖2、圖3。

以5 mm×5 mm的Pad為基準(zhǔn)，Pad的面積偏小，有機(jī)金屬電鍍層的厚度相對(duì)較厚，Pad的面積偏大，有機(jī)鍍層的厚度相對(duì)會(huì)厚。

圖3 Pad大小與有機(jī)金屬納米銀厚度的關(guān)系

2.2 底銅厚度對(duì)回歸曲線的影響

用不同大小Pad膜厚測(cè)試片底銅厚度為18 μm，用其雙面5 mm×5 mm的Pad為固定測(cè)試位置，面積為0.5 cm2。準(zhǔn)備有機(jī)金屬納米銀厚度為60、80、90、100、110、120、130、160 nm的標(biāo)準(zhǔn)片，分別用GCM和XRF去測(cè)量所得厚度，所得厚度數(shù)據(jù)見表2。

所以用底銅厚度為60 μm的OC-3測(cè)試板所得到的這個(gè)線性回歸公式并不適合所測(cè)試的底銅厚度為18 μm的不同大小Pad膜厚測(cè)試片。

把上述的GCM和XRF數(shù)據(jù)代入Minitab中，根據(jù)Minitab的分析，可以得到關(guān)于GCM和XRF的線性回歸方程式如下：

GCM=-219.9+23.08×0.039 37XRF

表2 GCM和XRF厚度測(cè)量結(jié)果

圖4 校正后的GCM和XRF線性回歸曲線

把上述統(tǒng)計(jì)的XRF數(shù)據(jù)代入新的線性回歸曲線中，得到對(duì)應(yīng)的有機(jī)金屬鍍層有機(jī)金屬納米銀的對(duì)應(yīng)厚度，與OC-3所得出的線性回歸公式所比，新的線性回歸曲線更準(zhǔn)確地反映板面真實(shí)的有機(jī)金屬鍍層厚度，造成這個(gè)巨大差別的原因是OC-3的底銅與不同大小的Pad測(cè)試板的底銅厚度不一樣。

3 XRF 機(jī)理研究

X射線熒光(XRF)儀器由激發(fā)源(X射線管)和探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。X射線管產(chǎn)生入射X射線(一次X射線)，激發(fā)被測(cè)樣品。受激發(fā)的樣品中的每一種元素會(huì)放射出二次X射線，并且不同的元素所放射出的二次X射線具有特定的能量特性或波長(zhǎng)特性。探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量這些放射出來的二次X射線的能量及數(shù)量。然后，儀器軟件將探測(cè)系統(tǒng)所收集到的信息轉(zhuǎn)換成樣品中各種元素的種類及含量。每個(gè)元素的特征X射線的強(qiáng)度除與激發(fā)源的能量和強(qiáng)度有關(guān)外，還與這種元素在樣品中的含量有關(guān)。

表3 矯正后的線性回歸數(shù)據(jù)

有機(jī)金屬鍍層有機(jī)金屬納米銀在使用XRF測(cè)量其厚度過程中，所測(cè)得厚度值和所檢測(cè)到的Ag信號(hào)的百分比相關(guān)。特做以下假定：①假定1 μm的Ag將放射出1 000個(gè)Ag信號(hào)。②假定1 μm的Ag將放射出1 000個(gè)Cu信號(hào)。③X-Ray激發(fā)40 μm的底銅，將產(chǎn)生40 000 Cu信號(hào)。

在銅厚度為40 μm的情況下，Ag信號(hào)取決于Ag測(cè)厚度，以4種不同的銀厚度為例。

4 結(jié)語

GCM和XRF 均可以作為測(cè)量銀層厚度的測(cè)量工具，GCM為破壞性測(cè)試，會(huì)破壞測(cè)試樣板，XRF為非破壞性測(cè)試，不會(huì)對(duì)樣品造成傷害，可以重復(fù)使用。GCM和XRF之前可以通過一定的關(guān)系式建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。XRF的測(cè)量對(duì)低銅的厚度有要求，建議每次根據(jù)測(cè)試板建立程式，如果條件不允許，以當(dāng)厚度>35 μm時(shí)，測(cè)量程序不需要重新校準(zhǔn)，如果銅厚<35 μm，一定要重新校準(zhǔn)程序方程式。

表4 測(cè)量Ag信號(hào)的含量