多場(chǎng)耦合研究PCB電鍍銅

冀林仙，王躍峰

（運(yùn)城學(xué)院物理與電子工程系，山西 運(yùn)城 044000）

近年來(lái)，隨著電子設(shè)備多功能化的發(fā)展，作為電子組裝載體的印制電路板（Printed circuit board，PCB）向著輕、薄、短、小的方向發(fā)展，PCB線寬和線距的要求越來(lái)越小，線路的精度要求也越來(lái)越高［1-2］。電鍍銅作為PCB制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，鍍層品質(zhì)直接影響電子終端產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性，鍍液的穩(wěn)定性與鍍層的均勻性一直是電鍍銅互連研究的主題［3-5］。

電鍍銅是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，包括物質(zhì)傳遞（遷移、擴(kuò)散、對(duì)流）過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)、傳熱過(guò)程等，它們相互耦合，協(xié)同作用，共同影響銅的沉積。而且，電鍍銅過(guò)程受諸多因素影響，鍍槽構(gòu)型、電場(chǎng)線分布、鍍液傳質(zhì)方式、鍍液組分、基材材質(zhì)與工藝流程等都會(huì)影響鍍層性能［6-9］。然而，采用實(shí)驗(yàn)方法研究電鍍銅過(guò)程需要設(shè)計(jì)這諸多因素條件下的鍍銅過(guò)程，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高［10-11］。針對(duì)這一現(xiàn)狀，一些數(shù)值模擬軟件被開(kāi)發(fā)，用于電鍍銅的研究，優(yōu)化電鍍銅工藝條件［12-13］。為了提高PCB電鍍銅鍍層均勻性，真實(shí)反映工業(yè)鍍槽的電鍍效果，本文采用多物理場(chǎng)耦合的有限元方法，借助高性能計(jì)算機(jī)，探討陰極板間距、液面高度、陽(yáng)極擋板與陰極鍍層均勻性的關(guān)系，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化電鍍工藝參數(shù)。

1 電鍍銅數(shù)值模擬

1.1 電鍍銅模型的構(gòu)建

PCB電鍍銅測(cè)試板厚為1 mm，高度為800 mm，寬度為600 mm。鍍液組分為120 g/L CuSO4·5H2O、195 g/L H2SO4、65 mg/L Cl-、5 ml/L VF-200加速劑、8 ml/L VF-100抑制 劑、9 ml/L VF-100LR整 平 劑。電鍍銅數(shù)值模擬選取工業(yè)電鍍線一部分構(gòu)建電鍍銅模型，數(shù)值模擬模型如圖1。

圖1 電鍍銅模型Fig.1 Model of electrodeposited copper

模型假設(shè)：電鍍液是牛頓流體；鍍液傳輸特性（如擴(kuò)散系數(shù)，鍍液密度，粘度等）與動(dòng)力學(xué)參數(shù)在銅沉積過(guò)程中保持不變；電鍍體系中，相比銅和硫酸鹽離子，質(zhì)子的濃度非常低，忽略質(zhì)子的物質(zhì)平衡。

1.2 控制方程與邊界條件

電鍍銅鍍層厚度由法拉第定律確定，陰極銅沉積量（或鍍層厚度）與電流密度和電流效率呈正比。

式中：MCu是銅的分子量，ρCu是銅的密度，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，i為電流密度，t為電鍍時(shí)間，εF是陰極電流效率，n為電極反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移數(shù)。

電鍍銅時(shí)，電極表面電流密度與離子通量N密切相關(guān)，酸性鍍銅液的離子主要包括Cu2+、H+、SO42-，離子流量滿足Nernst-Planck方程。

式中：cj為離子j的濃度，Dj為離子j的擴(kuò)散系數(shù)，zj為離子j的電荷數(shù)，um，j為離子j的遷移率，φl(shuí)為電勢(shì)，u→為鍍液流速。

陰極電流密度可表示為：

電極表面電流密度與過(guò)電位密切相關(guān)。電極過(guò)電位包括表面活化過(guò)電位和濃度過(guò)電位。

電極界面用Butler-Volmer方程描述，陰極電流密度可表示為式（4）。

式中：0i為交換電流密度，αA與αC分別為陽(yáng)極傳遞系數(shù)與陰極傳遞系數(shù)，ηc為陰極過(guò)電位。

考慮電極上存在的濃度梯度，濃度過(guò)電位是粒子表面濃度的函數(shù)，Butler-Volmer方程中引入濃度修正項(xiàng)，陰極電流密度表示為式（5）。

2 結(jié)果與討論

2.1 電鍍銅均勻性

PCB電鍍銅完成后，取出測(cè)試板進(jìn)行取樣分析。陰極板上每間隔60 mm取一個(gè)點(diǎn)，共81個(gè)點(diǎn)（如圖2）。測(cè)試取樣點(diǎn)的鍍層厚度Xi，計(jì)算COV以評(píng)價(jià)鍍層分布均勻性。

圖2 測(cè)試板取樣點(diǎn)Fig.2 Sampling points of test plate

鍍層厚度平均值為式（6）。

鍍層均勻性用COV數(shù)值評(píng)價(jià)，表示為式（7）。

COV值越小，表明鍍層越均勻。電鍍銅目標(biāo)為COV＜6%。

2.2 陰極板間距對(duì)均勻性的影響

當(dāng)陰極板間距L為1～50 mm，1800 s時(shí)，陰極板表面鍍層厚度與COV隨L變化曲線如圖3所示。從圖3（a）中可以看出，隨著L的增加，數(shù)據(jù)分布范圍加大，離散點(diǎn)增多，表明陰極板表面鍍層厚度不均勻程度加大。陰極板之間有間隙時(shí)，其間的電鍍液中存在導(dǎo)電的自由空間，這使電力線在陰陽(yáng)極之間穿行空間擴(kuò)大，電場(chǎng)線易于集中，從而形成陰極板兩側(cè)較高電流密度區(qū)引起較厚的鍍層［14］。圖3（b）為COV值隨L的變化曲線。當(dāng)L較小（0～20 mm）時(shí)，隨著L的增加，COV值從1 mm時(shí)的0.05%變化為20 mm時(shí)的0.6%。當(dāng)L從20 mm增加到40 mm，COV值從0.6%增加到7.7%。隨著L的繼續(xù)增加，COV值略微降低，但仍大于7%。這一變化趨勢(shì)表明，當(dāng)L小于20 mm時(shí)，陰極板距離的減小有助于提高陰極板表面電流密度分布的均勻性，而獲得較均勻的鍍層。理想情況下，當(dāng)L為0時(shí)，鍍槽內(nèi)陰極板可被視為一整塊板，鍍層均勻性最好。但陰極板為零間距時(shí)，板在前進(jìn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生碰撞，容易引起表面銅層剝離。因此，電鍍銅制程，為了保證電鍍工序的順利進(jìn)行，獲得陰極板表面較均勻的鍍層，陰極板間距L不超過(guò)20 mm。

圖3 陰極鍍層厚度與COV隨L的變化趨勢(shì)Fig.3 Variation of cathode coating thickness and COV with L

2.3 液位對(duì)均勻性的影響

液位也會(huì)影響電鍍銅鍍層均勻性，用H表示液面與陰極板上邊緣間的距離。圖4為L(zhǎng)為20 mm時(shí)，陰極鍍層厚度與COV隨H的變化趨勢(shì)。從圖4（a）可以看出，隨H的增加，鍍層分布范圍變寬，離散點(diǎn)增加，陰極表面鍍層越不均勻。陰極板上部自由導(dǎo)電空間的加大使得邊緣電場(chǎng)線分布密集，電流密度較大，銅沉積速度快形成較厚鍍層。當(dāng)陰陽(yáng)極板盡可能占據(jù)整個(gè)電鍍液深度時(shí)，避免了邊緣效應(yīng)，陰極表面電流密度與鍍層厚度分布更為均勻。因此，當(dāng)陰陽(yáng)極板剛好處于鍍液中，陰極板鍍層均勻性最好。圖4（b）表明，隨著H的增加，COV值加大。H為0～30 mm時(shí)，COV值增加緩慢，從0.6%逐步增加為2.37%。H較小時(shí)，陰極表面由于相對(duì)均勻分布的電流密度而使得鍍層均勻性較好。當(dāng)陰陽(yáng)極剛好處于液面時(shí)，鍍層均勻性最好。當(dāng)H大于30 mm時(shí)，COV值變 化較大。H為30 mm時(shí)，COV值為2.37%。H為50 mm時(shí)，COV值為14.2%。COV數(shù)值越大，鍍層均勻性越差。陰極板上部較高的液位使導(dǎo)電自由空間增大，邊緣效應(yīng)引起電場(chǎng)線分布集中，形成較高電流密度區(qū)，引起陰極板上部較厚的鍍層，使COV值增大，鍍層均勻性變差。對(duì)于工業(yè)電鍍生產(chǎn)線，為了獲得均勻性較好的鍍層，需控制陰極板上部液位小于30 mm。除此之外，為了提高PCB鍍層均勻性，常在電鍍槽中加入陽(yáng)極擋板［15］。陽(yáng)極擋板改變了鍍液導(dǎo)電自由空間的電場(chǎng)線分布，避免了邊緣效應(yīng)，這有利于形成較為均勻的鍍層。

圖4 陰極鍍層厚度與COV隨H的變化趨勢(shì)Fig.4 Variation of cathode coating thickness and COV with H

2.4 陽(yáng)極擋板對(duì)均勻性的影響

加入陽(yáng)極擋板的電鍍槽，用h表示陽(yáng)極擋板高度。當(dāng)陰極板間距為20 mm，液面距陰極上邊緣20 mm時(shí)，陰極鍍層與COV隨h變化趨勢(shì)如圖5所示。圖5清晰表明，h對(duì)陰極銅層的均勻性有較大的影響。不加陽(yáng)極擋板時(shí)，COV值為1.46。加入陽(yáng)極擋板后，隨著h的增加，COV值變小，即陰極表面鍍層變得更加均勻。當(dāng)陽(yáng)極擋板高度為30 mm時(shí)，COV值為1.25。陽(yáng)極擋板分開(kāi)了導(dǎo)電自由空間，并改變了槽內(nèi)空間電場(chǎng)分布，通過(guò)限制邊緣處的電場(chǎng)使得陰極表面電流密度分布均勻，從而形成均勻的鍍層［16-18］。隨著陽(yáng)極擋板的繼續(xù)加大，COV值變化不大。但h超過(guò)50 mm時(shí)，h的繼續(xù)加大引起了COV值變大，即空間電場(chǎng)線的不均勻分布，使得陰極鍍層不均勻程度加大。因此，電鍍銅時(shí)，增加陽(yáng)極擋板可以提高陰極鍍層的均勻性。為了提高鍍層的均勻性，需要選擇合適大小的陽(yáng)極擋板。模型使用的鍍槽，合適的陽(yáng)極擋板高度為30～50 mm。

圖5 陰極鍍層厚度與COV隨h的變化趨勢(shì)Fig.5 Variation of cathode coating thickness and COV with h

3 電鍍銅實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 儀器與材料

雙面覆銅板、電鍍液（組分同上）、龍門電鍍線、金相顯微鏡、磨片機(jī)、銅厚測(cè)試儀。

3.2 電鍍銅實(shí)驗(yàn)

測(cè)試板經(jīng)除油、水洗、微蝕、水洗、酸洗、電鍍銅后，取出烘干，測(cè)量板面銅層厚度，計(jì)算COV。

影響電鍍銅均勻性的因素包括幾何因素與電化學(xué)因素。幾何因素包括鍍槽形狀、陽(yáng)極形狀、陰陽(yáng)極距離及相對(duì)位置，輔助擋板等。實(shí)驗(yàn)中保持鍍液組分和濃度不變，選取陰極板間隙A、液位高度B、浮架遮擋高度C三個(gè)因素作為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素取三個(gè)水平得到試驗(yàn)因素-水平表1。

表1 因素-水平表Tab.1 Factor-level table

電鍍銅實(shí)驗(yàn)選取L9（34）正交表安排實(shí)驗(yàn)，將COV作為指標(biāo)評(píng)價(jià)電鍍銅層的性能，分析這些因素對(duì)電鍍銅均勻性的影響，并優(yōu)化電鍍銅工藝。

3.3 結(jié)果分析

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和極差分析結(jié)果列于表2。

表2 電鍍銅實(shí)驗(yàn)結(jié)果與極差分析結(jié)果Tab.2 Experimental results of copper electrodeposition and range analysis results

極差R的數(shù)值大小表明，這三個(gè)因素對(duì)鍍層均勻性的影響程度為C＞B＞A，指標(biāo)因素如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)掛板間隙小于10 mm，液面高度小于10 mm時(shí)，對(duì)鍍層均勻性影響較小。隨著掛板間隙與液面高度的持續(xù)增加，導(dǎo)電自由空間的加大，使陰極板邊緣電場(chǎng)線集中，引起較大電流密度，形成較厚的鍍層，導(dǎo)致COV值變大，即鍍層均勻性變差。輔助擋板對(duì)鍍層均勻性的影響較大，工業(yè)電鍍銅需要根據(jù)鍍槽選擇合適的浮架位置，以保證陰極表面鍍層的均勻性［19-20］。這一結(jié)論和數(shù)值仿真獲得的結(jié)論相符合，證明采用多物理場(chǎng)耦合的有限元方法進(jìn)行電鍍銅的仿真是行之有效的。以COV值為電鍍銅均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化的電鍍參數(shù)為A2B1C2。

圖6 電鍍銅指標(biāo)-因素圖Fig.6 Index-factor diagram for copper electrodeposition

選取陰極板間隔為10 mm，液面高度為5 mm，浮架遮擋高度為15 mm，進(jìn)行電鍍銅實(shí)驗(yàn)，獲得陰極表面鍍層厚度分布如圖7所示。統(tǒng)計(jì)鍍層厚度得到COV值為4.7%，這一結(jié)果達(dá)到了工業(yè)電鍍銅工藝鍍層均勻性要求。

圖7 鍍層厚度統(tǒng)計(jì)分布Fig.7 Statistical distribution of coating thickness

4 結(jié)語(yǔ)

電鍍銅作為PCB制程一道重要的工序，鍍層質(zhì)量的好壞直接影響電路板的外觀和性能。本文采用多物理場(chǎng)耦合的有限元方法討論了PCB電鍍銅的鍍層均勻性，陰極板間距、液面高度、陽(yáng)極擋板都會(huì)影響陰極表面電流密度與鍍層分布。陰極板間距越小，鍍層分布越均勻，陰極板間距應(yīng)小于20 mm。液面高度也會(huì)影響鍍層分布的均勻性。為了獲得均勻性較好的鍍層，需控制陰極板上部液位小于30 mm。而且，鍍槽內(nèi)增加陽(yáng)極擋板可以調(diào)整槽內(nèi)電場(chǎng)線分布，改善陰極板表面電流密度分布，從而提高鍍層均勻性。進(jìn)一步設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)電鍍銅參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選取陰極板間隔為10 mm，液面高度為5 mm，浮架遮擋高度為15 mm，陰極COV值為4.7%，這一結(jié)論為工業(yè)電鍍銅研究提供了一定的理論與實(shí)踐指導(dǎo)。