铜基电镀后铜粒问题根由探究

肖 云 谢占昊 缪 桦 李传智（深南电路股份有限公司，广东 深圳 518117）

铜基电镀后铜粒问题根由探究

肖 云 谢占昊 缪 桦 李传智
（深南电路股份有限公司，广东 深圳 518117）

PCB埋铜后能解决一些电子元器件的散热问题，延长电子元器件的寿命。近年来，用于散热的金属基产品种类越来越多。金属基在电镀后可能会出现铜粒，以此现象为研究对象，模拟金属基加工出现铜粒的条件，从金属基电镀后铜粒着手，简述铜粒产生的影响因素，分析铜粒产生的机理。

金属基；电镀；铜粒；机理

1 前言

随着PCB线路越来越密集，PCB散热是一个难题，近年来金属基被嵌入PCB板用于散热的工艺不断成熟，铜基在PCB上的应用越来越多。同时也产生了很多加工缺陷，如在电镀加工此类产品时，金属基部位出现过电镀铜粒，现以此缺陷为研究对象，模拟了金属基部位电镀生长铜粒的条件，通过电镀铜理论，再结合大量的试验结果分析探究铜粒产生的根本原因，缓解电镀铜粒带来的负面影响，为研究铜粒产生机理提供理论依据。

2 金属基铜粒产生机理

2.1 电镀铜沉积过程

在电镀过程中，镀液中的铜离子在外电场的作用下，接受电子还原成铜原子并在阴极上进行金属沉积的过程即为电镀铜沉积过程。电沉积过程示意图如图1，完成电镀铜过程需要经过以下三个步骤：

（1）液相传质：镀液中的水化金属离子或络离子从溶液内部向阴极界面迁移，到达阴极的双电层溶液一侧。

（2）电化学反应：水化金属离子或络离子通过双电层，并去掉其周围的水化分子或配位体层，从阴极上得电子生成金属原子。金属离子还原前迁移方式有三种：电迁移，对流和扩散。

（3）电结晶：金属原子沿金属表面扩散到结晶生长点，以金属原子态排列在晶格内形成镀层。

电镀时，以上三个步骤是同时进行的，但进行的速度不同，速度最慢的一个被称为整个沉积过程的控制性环节。不同步骤作为控制性环节，最后的电沉积结果是不一样的。

图1 电沉积过程图

2.2 铜粒在PCB板金属基上的表现

金属基铜粒与PCB板面铜粒不一样，在沉铜电镀后只有金属基部位产生铜粒，其他板面区域无铜粒产生。金属基的正反两面均会长满铜粒，不同的铜材生长铜粒的程度不同。严重的铜粒状况会演变为铜粒生长为毛状。如图2，显微镜放大1000倍图如图3。中度严重的铜粒在金属基槽内或金属基面上为点状凸起。如图4，显微镜放大1000倍图如图5。金属基铜粒严重程度大小不同，但其加工条件和流程全部一致。

图2 金属基毛状铜粒

图3 金属基毛状铜粒1000倍放大图

图4 金属基点状铜粒

图5 金属基点状铜粒1000倍放大图

2.3 金属基铜粒的产生机理

铜粒是由于电镀过程中的异常结晶导致的状况，其产生过程分析应根据图1的电镀铜沉积过程。水合铜离子扩散至双电层结构后在金属基表面得到电子被还原为铜原子，铜原子在金属表面迁移有序的排布为晶格，生成电镀层[2]。

异常结晶产生在电镀前期，生成凸起后随着电镀的进行不断放大凸起，最终恶化集中在凸点放电还原铜，不断恶性循环，产生大铜粒或者更加严重生成毛状。

铜粒产生的微观过程中有如下异常：

（1）金属基表面有尖端放电点，电荷在尖点放出电荷还原铜离子，尖点优势电镀，晶核形成速度低于晶体成长速度，原子排列成正常晶格时异常，出现柱状结晶。

金属基属于工业熔融热轧冷轧等加工后的产品，会有金属特有的晶格结构。不同铜块，晶格的大小、晶格角度、晶形都会有很大差异，金属基晶3D显微放大1000倍图如图6。在PCB加工过程中会有铣槽、微蚀、孔化等流程，会对金属基的表面状况产生巨大的改变。这些过程之后，金属基表面会有细微的凸起或凹坑，这些表面状况都会影响电镀时电荷放电点的优劣。优势放电点优先电镀，会生成柱状结晶。金属基表面的凸起状况如图7，能谱分析凸起仍为铜颗粒凸起。这些凸点即为尖端放电点。

图6 金属基孔化微蚀缸后表面3000 ×SEM及凸点能谱分析

图7 金属基孔化微蚀缸后表面3000 ×SEM及凸点能谱分析

谱图中C、O含量属系统测试误差，可以扣除。凸点物质为铜。大凸点直径为3 μm ～ 5 μm，即为尖端放电点。

（2）铜材晶格的表面差异性导致电荷的分布不均，铜材杂质含量、冷轧加工参数、晶格大小等不一致综合表现为铜材电导率不一致。电荷分布不均或电导率差导致有尖端放电效应。

铜材经过热轧冷轧后形成晶格，晶格大小可以按照国标进行晶粒度级数归属，目前尚未见关于晶粒度对电镀铜粒影响的报道。但就目前试验结果分析，晶粒度越小或越大的铜块越易产生严重铜粒，晶粒度居中的铜块电镀不易出现铜粒。不同铜材的晶粒度图如图8。晶粒度大小排序为：A铜＞B铜＞C铜＞D铜，铜粒问题从轻微到严重排序为：B铜＜C铜＜D铜＜A铜。若晶粒度太小影响铜块微蚀后表面的凹凸度，造成大量的凸点；晶粒度若太大由于晶界偏聚作用，会在晶界处聚集杂质，微蚀后露出晶界的氧化亚铜，电荷在铜块表面传递时需要跨越大的晶界，且电荷在晶界和晶界内部的分布会不均匀，会造成电荷在铜块表面的局部分布不均匀，更易在尖端放电点优势放电。

图8 四种不同铜材的晶粒度

铜块除了晶粒度的差别外，还有成分杂质的区别，成分的区别也会导致电荷在铜块的表面传递速度和能力。综合表现为导电率，四种铜材的导电率值如表1。导电率居中的铜块，铜粒越少。与晶粒度大小与铜粒严重程度相关性结论一致。

表1 四种不同铜材的导电率

铜粒产生的微观过程中有如上的两点异常即为铜粒产生的两个必要条件，这两个条件出现时即会产生电镀铜粒。原理图如图9。

图9 电荷分布不均导致尖端放电现象原理图

铜基表面若有大凸点，若再表面电荷分布不均，电荷会在尖点聚集，造成类似极化度小的状况，可以认为这种情况是局部极化度小。若形成此种局部极化度小的状况，金属基在电镀过程中即会尖端放电，造成尖点处铜结晶粗大、结晶速度过快的现象，还原的铜原子来不及在表面迁移排列成正常的晶格，堆积在尖点处，反复循环，最终造成尖段放电点处产生铜粒。晶格大或者导电率高的铜块，由于晶粒度若太大由于晶界偏聚作用，会在晶界处聚集杂质，微蚀后露出晶界的氧化亚铜，电荷在铜块表面传递时需要跨越大的晶界，且电荷在晶界和晶界内部的分布会不均匀，会造成电荷在铜块表面的局部分布不均匀，易在尖端放电点优势放电。晶粒度小或者导电率低的铜块微蚀后凸点太多，铜原子在铜基表面排布易混乱，形成更大的凸点后形成铜粒。综上所述，晶粒度和导电率居中值的铜块电镀后不易产生铜粒。

3 金属基铜粒影响因素解析

3.1 电镀起镀铜对铜粒影响

铜箔与铜基同时电镀时，铜基会长铜粒，而铜箔没有。是因为电镀的起镀底铜不一样。铜基会有较大的晶格，且有晶界，晶界处为杂质。其微蚀后晶格对比如图10。

图10 电解铜箔与铜基微蚀后晶格图差别

铜基直接孔化电镀，铜基会被微蚀，不同的晶粒度大小的铜基其起镀时的表面状况不一样，易出现晶界或凸点多的铜块，更易产生铜粒。

3.2 不同金属基对铜粒影响

3.2.1 晶粒度影响

晶粒度居中的铜块电镀不易出现铜粒。其原因本文以上内容已经详述，此处不再赘述。

3.2.2 铜材软硬度影响

同一种铜材，若再热轧冷轧加工过程中使其软硬度不一致，软铜因其延展性好，在微蚀过程中被咬蚀量小，表面不易被咬蚀处有晶格形状的表面，其表面会形成细小的咬痕；与硬度正常的铜基不一样，其在相同的咬蚀量下会形成清晰的晶格结构。软硬铜材微蚀后的表面状况对比如图11。软态铜电镀后的铜粒出现率较半硬态铜的铜粒出现率低很多。

图11 软硬铜材微蚀后的表面状况对比图（左图为软态铜，右图为半硬态铜）

3.2.3 铜材导电率影响

不同牌号铜材的铜含量和杂质含量不一样，晶粒度不一样，软硬不一样综合表现为测试出其导电率不一致，导电率值居中者，越不易产生铜粒。不同铜材导电率值如表1。铜材的导电率主要由铜材杂质含量影响，导电率和晶粒度大小会影响电荷在铜材表面的传递速率，电荷的供给速率若低于电荷的还原铜离子消耗速率，会造出局部的电荷极化度不够，电荷分布不均，继而造出尖端放电效应，出现铜粒。

金属基影响铜粒程度很大，原因是既能影响铜材表面的尖端放电点大小和多少，也能影响电荷的分布均匀性和局部极化度大小。

3.3 加工条件因素对铜粒的影响

3.3.1 电镀参数和铜离子迁移速率对铜粒影响

据相关文献报道[3]，硫酸铜含量为60 g/L时，单位时间内溶液可以提供的铜离子数量是单位时间内能够还原铜离子数量的1.83倍。也就是说，如果溶液交换很充分，则单位时间内溶液提供的铜离子只能有一半被还原成金属铜原子。由此可以说明若金属基表面电荷提供充足、连续性好、电荷分布均匀，电镀出的铜结晶应该很细密，铜厚也很均匀。

若电镀参数不合理，过大或者过小，或者溶液本身酸铜比失衡。设备提供的电荷与能还原的铜离子数不匹配，会造出电流的过度集中或者电流波动。实际生产过程中这种情况很容易发生，也发生过好的铜材在此种情况下出现金属基铜粒现象。

3.3.2 添加剂对铜粒铜粒影响

不同的添加剂中的整平剂、光亮剂、运载剂配比不一样，因此对铜离子的迁移影响不一样。在低电流、高电流密度区对铜离子的还原速率影响能力不一样。试验四种添加剂药水体系对铜粒问题的改善程度，结果均不一样。

3.3.3 其它因素对铜粒铜粒影响

分析公司文件[4]所述，金属基表面赃物、手指印、药水体系杂质颗粒、细菌等都会对金属基电镀产生铜粒有影响。

4 结论

（1）铜基表面若有大凸点，若再表面电荷分布不均，金属基在电镀过程中即会尖端放电，造成尖点处铜结晶粗大、结晶速度过快的现象，还原的铜原子来不及在表面迁移排列成正常的晶格，堆积在尖点处，反复循环，最终造成尖段放电点处产生铜粒。

（2）晶粒度居中的铜块电镀不易出现铜粒。

（3）导电率居中的铜块，铜粒越少。

（4）不同的添加剂中的整平剂、光亮剂、运载剂配比不一样，因此对铜离子的迁移影响不一样，对铜粒的产生影响也不一样。

[1]陈书荣,谢刚,崔衡,马文会. 金属铜电沉积过程中分形研究[J]. 中国有色金属学报, 2002.8,12(4).

[2]袁诗璞. 电镀基础讲座,镀层的凸起不平故障[M].

[3]陈于春,田清山. 孔化与电镀, 2011秋季国际PCB技术/信息论坛∶139-145.

肖云，PCB产品研发部工程师，南京理工大学，应用化学专业，电化学方向硕士。

Analyzing the real reason of copper particle on copper billet after electroplating

XIAO Yun XIE Zha-hao MIAO Hua LI Chuan-zhi

Copper billet embedded in a PCB can solve cooling difficult problem and delay the life of electronic components. This types of PCB which is embedded copper block was designed. The surface of copper billet embedded in a PCB will emerge some copper particle after electroplating. We researched this phenomena and simulated the plant condition of PCB which is embedded copper block. We summarize the main infl uence of the copper particle and analysis the mechanism of emerging copper particle.

Copper Billet; Electroplating; Copper Particle; Mechanism

TN41

A

1009-0096（2015）07-0040-05