龙门式电镀线生产75μm/75μm线镀铜均匀性探究

陈世金 黄雨新 罗 旭

（博敏电子股份有限公司，广东 梅州 514021）

1 前言

随着PCB技术的不断发展，我司产品结构也随之发生了较大的变化，主要体现在越来越多的75μm/75μm线路等级产品的导入。大家知道：目前在行业内大批量生产75μm/75μm线的PCB厂一般是采用VCP和水平电镀线等先进的生产设备，最主要的原因是龙门式电镀线的镀铜均匀性不能满足工艺要求，合格率都很低。有部分PCB厂采用调头电镀（即分两次调换夹点电镀）的方式在龙门式电镀线上来生产75μm/75μm线路等级的产品，这样的方式使合格率得到一定的提升，但是效率相对低下，而且制程的稳定性很难维持。因此，对龙门式电镀线均匀性的改善和研究就显得十分必要和迫切了。

2 工艺原理概述及均匀性现状

2.1 电镀原理与电场线的分布

首先我们来了解一下电镀的基本原理。简单来说，电镀指借助外界直流电的作用，在溶液中进行电解反应，使导电体（例如金属）的表面沉积一层金属或合金。具体参见图1所示：

图1 电镀基本原理示意图

1833年法拉第发现电能与化学变化之间的定量关系，即法拉第第一定律W＝kIt(k-比例常数，I-电流强度，t-通电时间）。溶液之导电也受欧姆定律约束I＝V/R ，R＝I/K .L/q（I为电流，V为电压，R为电阻，K为单位导电度，L为导体长度，q为截面积）。因此只要与电阻有关的介质（溶液和金属）都将影响到电解金属的析出，实际情况涉及到均匀性分布的情况当然是要复杂的多。电镀时电场线的分布一般有三种情况：正负极等宽、正极较宽和负极较宽。（参见图2）由于电场线的分布直接影响镀层的均匀性，要得到均匀的镀层就必须使加在板件上的电场线分布均匀。而影响电场线分布的因素就有很多了，如阳极的长度、多少、大小和排列距离，阴阳极电流的输出偏差、左右分布和各接触点的导电状况，以及飞巴、夹具、鞍座、喷管、喷嘴、循环泵、药水浓度等诸多因素均有关系。

2.2 均匀性现状

2.2.1 我司镀铜均匀性提升要求

我司目前镀铜整体均匀性较差，R值（极差）平均在13μm以上，COV平均在10%以上，与我司控制目标相差较大 （我司的目标为：R值≤8μm，cov≤10%），而随着产品结构的改变（75μm/75μm线的产品增多），对我司电镀均匀性提出了更高的要求。

我们先随机选取一个铜缸的一个飞巴测试其均匀性，具体可参见表1的数据：

另外，我们对板电线9#铜缸的镀铜均匀性也进行了随机测试（参见图3），发现跟16#铜缸存在一些共同的特点，即铜厚偏厚区域集中在飞巴的两边。而飞巴的上部和底部均无一定的规律性，有的会出现底部偏厚，有的也会出现上部偏厚，还有的出现中间偏厚，因此整体均匀性是较差的。

2.2.2 3 mil/3 mil线产品对电镀均匀性的要求

这个均匀性要求一般是根据后工序（蚀刻）的工艺制作能力和工程补偿等条件来定的，我司DES线的蚀刻因子和3 mil类线宽的补偿决定了我们75μm/75μm线的板子铜厚最大值为33μm，极差≤8μm，只有满足这两个条件才能保证这类板子的制作顺利，显然这个要求较我们之前的镀铜均匀性要严格的多。因此，我们必须对目前板电线的镀铜均匀性进行改善，才能满足75μm/75μm线产品的生产要求。

3 均匀性影响因素分析与改善对策

3.1 影响镀铜均匀性的因素

我们在前面就已经知道：只要对电场线有关联的部分均会对电镀均匀性产生影响，只要抓住会对电场线产生变化的因素进行排查和分析，消除（或尽量减少）对其产生的影响就会使电镀均匀性得到改善。而只有清楚影响电镀均匀性的影响因素，才能有针对性的制定改善措施并严格实施。下面我们就通过鱼骨图来分析一下影响电镀均匀性的因素（参见图4）。

（6）摇摆、过滤等周边设备的运行情况；

（7）员工的操作和电镀参数的设定。

从镀铜均匀性影响因素的鱼骨图上来看，设备和操作等方面对镀铜的整体均匀性影响最为密切，因此后续我们将进行有针对的进行改善。而龙门式垂直电镀线由于本身存在上下电流分布的差异相对较大的问题，加上电流“边缘效应”的影响，其镀

通过排查影响电场线分布的因素，我们发现以下情况均会对电镀均匀性产生一定的影响：

（1）阳极钛篮的长短、形状、个数、摆放位置和排列，以及铜阳极的消耗情况等；

（2）喷管、喷嘴的形状、数量、排列和喷流量大小，机器损坏、阻塞情况等；

（3）阳极幕布和阴极浮槽的设计形状、高度和运行情况；

（4）整流器的电流输出偏差、左右分布情况，以及飞巴、鞍座、火牛线接触点导电是否良好；

（5）电镀药水含量以及定期的工艺维护（如倒缸、碳处理等）；铜均匀性一般是不及VCP的，和水平电镀线的差异则就更大了。

3.2 均匀性改善措施

通过对板电线各个铜缸的均匀性测试数据进行分析，我们制定了一系列有针对性的改善措施，主要有以下方面：

3.2.1 调整阳极钛篮，检查阳极袋

由于之前阳极钛篮的摆放比较混乱，现重新将铜缸所有的阳极钛篮进行位置调整，按照“3+8+7+8+3”的排列方式摆放，具体可参见图5：

通过对阳极钛篮进行重新摆放，可以有效改善部分铜缸两边板子出现偏厚或偏薄的问题，减少部分铜缸由于“边缘效应”引起的镀铜不均问题。同时检查阳极袋的破损情况，并及时更换，以达到改善电场线分布均匀的目的。参见图6：

图6 更换破损阳极袋

3.2.2 统一浮槽规格

由于发现偏厚的部分除了集中在飞巴两边外，底部一排区域（离板边约10 cm处）也出现“发白”问题，此区域铜厚明显偏薄。所以我们对各铜缸的浮槽规格进行了统一，通过测试均匀性再选取以打孔4排的规格为样板，对其它不一致的浮槽进行改造或重新制作。参见图7：

图7 浮槽打孔有两种设计规格

我们除了对浮槽的打孔排数进行了要求外，对打孔的孔径也做了相应的技术界定，后续通过几次改造使其最终符合我们的设计要求。如此同时出现了一个新的问题，就是阳极浮槽的两端固定点易出现损坏和偏移现象，因为这直接关系到这一飞巴板子整体均匀性，极有可能出现很大的铜厚差异，造成严重的镀铜不均问题。后来通过佳辉供应商对阴极浮槽两端加装了导向滑槽，使其能顺利的下滑至缸体的底部，而不会出现偏移“中央”位置。

3.2.3 喷管两边加装PP（聚丙烯）保护挡条

喷嘴的脱落问题其实是影响镀铜均匀性的一个十分重要的因素，我们对所有铜缸内的喷管、喷嘴等进行了排查，发现损坏、脱落情况严重，然后对其及时进行了修复和增补，同时为防止喷嘴脱落（主要是板子弯曲会碰撞喷嘴），我们要求佳辉供应商对喷管增加了“防撞”挡条，此挡条起到保护喷嘴不被碰掉的作用。参见图8：

图8 喷管两边加装PP防撞挡条

3.2.4 调整电流输出偏差

之前，我们板电线的铜缸整流器有两种接线方式，且均存在较大的输出偏差。后来我们对整流器输出电流偏差较大的进行校正或更换，部分整流器由“整体打电流”改为“分面次打电流”，增加了14台整流器，从而改善电流输出不均匀（飞巴一端电流很大，一端电流很小）和输出偏差偏大的问题。我们可以通过表2和表3来进行对比：

整改前9#～13#缸的电流输出偏差绝大部分均超过5%以上的偏差，尤其是个别通过同一飞巴的左右两端偏差超过30%，严重影响电流分布的均匀性。虽然清洗鞍座、飞巴和更换部分火牛线有一定的改善，但最终通过增加14台整流器和更换部分火牛线使问题得到了解决。

3.2.5 进行设备、工艺等维护

由于铜缸药水使用过久，存在药水老化（光剂副产物及外界污染）和部分周边设备损坏等现象，于是我们将铜缸阳极钛篮底部的阳极泥清除、除去细小颗粒铜渣等，同时镀铜药水进行碳处理除去有机污染及固体杂质，以提高药水清色度、保持药水的鲜活性。对部分损坏的阳极幕布进行修复或调整，调整阳极幕布上下及左右挡板的位置、高度等，活动挡板起到改善四周镀铜偏厚的情况，有效减少“边缘效应”产生的影响，从而达到改善局部镀铜偏厚的问题。参见图9：

表2 板电线调整整流器前电流测量数据记录

表3 板电线调整整流器后电流测量数据记录

图9 调整阳极幕布四周的活动挡板

3.2.6 规范员工操作

对员工的操作进行培训并制成规范化文件，对药液分析、管控及日常维护加强监督，防止出现人为操作引起的镀铜不均问题。这些规定主要是为了防止出现弯板和减少“边缘效应”的影响，主要包括有：

（1）上板及电镀边条的使用规定（如板子与板子须靠拢、板条的长宽度规定等，参见图10）；

（2）每3～5天须添加铜球和电解，同时检查铜球“架空”现象；

（3）每架板入缸时检查是否插偏、弯板和浮槽卡死等问题；

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（4）规定各类长度板子的挂板方式及不同板子的生产线别界定；

（5）每周清洗鞍座、飞巴及各接触点，保证导电性良好；

（6）每班检查铜缸液位，按照工艺要求及时做出调整；

（7）定期做好药水分析、光剂流量检测及Hull Cell（霍尔槽）实验等，确保药水含量正常。

4 改善效果

通过对上述措施的落实，我取得了较好的改善效果，这主要从均匀性数据（如cov和R值等）和后工序镀铜不均引起的蚀刻不净等方面来体现：

4.1 均匀性数据

首先我们看一下调整阳极及喷嘴增补后的数据，我们选取9#铜缸进行了数据对比。参见表4：

从数据上可以看出同一个铜缸同一个飞巴的cov值有7.84%减小至5.47%，整个飞巴R值由14.8μm减小至9.4μm。同时，我们用相同方法对每个铜缸的镀铜均匀性做了对比，数据均显示改善后优于改善前。下面我们看一下每个铜缸改善前后的部分数据，参见表5：

从改善的数据上来看，改善后绝大多数铜缸的镀铜均匀性均较之前要好，R值基本能控制在8μm以内，可以满足我司当前75μm/75μm线路等级产品的制作要求。从而证明我们的措施对改善镀铜均匀性起到了较好的推动作用，改善效果显著。

4.1 后工序因镀铜不均引起的蚀刻不净问题

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表6 AOI因镀铜不均引起的蚀刻不净报废数据

后工序（如酸蚀、AOI等）反馈的由于镀铜不均引起的蚀刻不净问题，也是反馈我们改善效果的又一个指标。我们从2010年9月份至2011年2月份这几个月时间里一直在进行镀铜均匀性改善，对改善后的3～8月份因镀铜不均引起的蚀刻不净作了一个统计，发现由该问题引起的报废已经大大减少（改善前的报废率平均在0.38%）。具体请参见表6和图11：

5 结论

（1）均匀性改善后使我司板电线镀铜整体均匀性得到了大幅提升，也提升了产品合格率，同时对产能影响较小。（2）通过对龙门式电镀线进行均匀性改善，可以满足一次性制作75μm/75μm线路等级产品的镀铜均匀性要求，生产出的产品品质符合我司控制标准。

当然，电镀均匀性改善是一个长期的过程，需要不断的坚持，而效果也是在不断的验证中的，同时改善成果需要我们进行长期的维护和巩固。后续我们可能将面临行业内更大的挑战，所以我们将会以更科学、更完善、更积极的心态投入到镀铜均匀性提升工作中去，以满足我公司不断向前发展的技术需求。

[1]任传雄. 荏原优吉莱特贸易有限公司, 硫酸铜电镀理论介绍.

[2]张贺威, 周振铎. 佳辉工业国际有限公司, 电镀均匀性说明.