電鍍銅技術(shù)在電子材料中的應(yīng)用（上）

 杭州PCB抄板公司-緯亞電子：摘要：電鍍銅層具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延展性等優(yōu)點(diǎn)，因此，電鍍銅技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電子材料制造領(lǐng)域。本文概括了幾種常用電鍍銅體系的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了在電子制造中應(yīng)用較廣的酸性硫酸鹽電鍍銅鍍液的組成和各成分作用。簡(jiǎn)述了電鍍銅在銅箔粗化、印制電路制作、電子封裝、超大規(guī)模集成電路（ULSI）銅互連領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)近年來(lái)電子工業(yè)中應(yīng)用的幾種先進(jìn)電鍍銅技術(shù)，包括脈沖電鍍銅技術(shù)、水平直接電鍍銅技術(shù)、超聲波電鍍銅技術(shù)、激光電鍍銅技術(shù)等進(jìn)行了評(píng)述。
    關(guān)鍵詞：電子材料；電鍍銅；銅箔粗化；印制電路；電子封裝；超大規(guī)模集成電路（ULSI）
    中圖分類號(hào)：TQ153.14; TQ178         文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A    文章編號(hào)：1004 – 227X (2007) 02 – 0043 – 05
     1 前言
     電鍍銅層因其具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械延展性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電子信息產(chǎn)品領(lǐng)域，電鍍銅技術(shù)也因此滲透到了整個(gè)電子材料制造領(lǐng)域，從印制電路板（PCB）制造到 IC 封裝，再到大規(guī)模集成線路（芯片）的銅互連技術(shù)等電子領(lǐng)域都離不開(kāi)它，因此電鍍銅技術(shù)已成為現(xiàn)代微電子制造中必不可少的關(guān)鍵電鍍技術(shù)之一。電子行業(yè)的電鍍銅技術(shù)含量很高，電鍍銅層的功能、質(zhì)量和精度以及電鍍方法等方面與傳統(tǒng)的裝飾性防護(hù)性電鍍銅技術(shù)有所不同。中的電
子信息產(chǎn)業(yè)正在迅速崛起，有資料表明，中的印制電路產(chǎn)值 2003 年已經(jīng)超過(guò)美居世界二位，成為名副其實(shí)的 PCB 生產(chǎn)大，并且有望在 2008 年超過(guò)日本居世界一，而以smtsh.cn/ target=_blank class=infotextkey>上海為中心的長(zhǎng)三角地區(qū)的集成電路產(chǎn)業(yè)也在飛速發(fā)展，逐漸成為該地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)[1-3]。這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必將推動(dòng)電鍍銅技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。為了滿足具有高科技含量電子產(chǎn)品制造的要求，出現(xiàn)了許多新的電鍍銅技術(shù)，如脈沖電鍍銅技術(shù)、水平直接電鍍銅技術(shù)、超聲波電鍍銅技術(shù)、激光誘導(dǎo)選擇電鍍銅技術(shù)等。
    2 電鍍銅簡(jiǎn)介
    2. 1 常用的電鍍銅鍍液及特點(diǎn)
    常用電鍍銅鍍液的分類及特點(diǎn)列于表 1。 

除所列出的體系之外，其它如氟硼酸鹽、檸檬酸-酒石酸鹽等電鍍銅體系也不適合用在電子行業(yè)。相比之下，酸性硫酸鹽鍍銅體系因其具有上述優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)。

2. 2 酸性硫酸鹽電鍍銅鍍液組成及各成分作用
     電子行業(yè)使用的硫酸鹽鍍銅溶液中主要含有CuSO4、H2SO4、Cl?和有機(jī)添加劑等成分。
     2. 2. 1   硫酸銅
      CuSO4 是主鹽，是溶液中 Cu2+的來(lái)源，濃度要適度。過(guò)低則沉積速率較慢；過(guò)高則沉積速率過(guò)快，結(jié)晶顆粒粗大，并影響鍍液的深鍍能力，使板面與孔內(nèi)厚度差別過(guò)大。CuSO4 ·5H2O 含量 60 ~ 100 g/L。
    2. 2. 2   硫酸
     H2SO4 主要增加鍍液的導(dǎo)電能力，并防止 Cu2+水解，濃度也要適量。太高鍍液分散能力差，太低鍍層脆性增加，韌性下降。尤其是在印制板電鍍通孔操作中要保持 ρ (H2SO4)/ ρ (Cu2+)一定的比例，才能達(dá)到較好的深鍍效果。H2SO4含量 180 ~ 220 g/L。杭州PCB|杭州smt
    2. 2. 3   Cl–
    Cl–可以提高陽(yáng)極的活性，促進(jìn)陽(yáng)極正常溶解，防止陽(yáng)極鈍化；還可以減少因陽(yáng)極溶解不完全產(chǎn)生的“銅粉”，提高鍍層的光亮和整平能力，改善鍍層質(zhì)量。一般含量較低，30 ~ 80 mg/L 左右[6]。
    2. 2. 4   添加劑
    添加劑在酸性鍍銅中很關(guān)鍵，一般有載運(yùn)劑、光亮劑、整平劑等，通常需要幾種添加劑協(xié)同作用才能達(dá)到理想的效果。它可以改變電極的表面吸附狀況，進(jìn)而改變鍍層的結(jié)構(gòu)。不過(guò)在實(shí)際的電鍍過(guò)程中添加劑的量比較難以控制，這是 HDI（高密度印制板）中高厚徑比微孔電鍍的難題，外已有研究者通過(guò)改變
脈沖電鍍的條件開(kāi)發(fā)不使用添加劑的技術(shù)[7-8]。
    3 電鍍銅在電子材料領(lǐng)域的應(yīng)用
    3. 1 銅箔粗化處理
     銅箔是制造印制板的關(guān)鍵導(dǎo)電材料，但是印制板外層銅箔毛面在與絕緣基板壓合制造覆銅板之前必須經(jīng)過(guò)電鍍銅粗化處理，使之具有一定的表面粗糙度，才能保證與基板有足夠的粘合力。銅箔的粗化處理通常分 2 步：一是在較低銅離子濃度高電流密度下的粗化處理，二是在高銅離子濃度低電流密度下的固化處理[9]。粗化處理過(guò)程中必須使用特殊的添加劑，否則銅箔在高溫層壓制造覆銅板時(shí)會(huì)出現(xiàn)“銅粉轉(zhuǎn)移”現(xiàn)象，影響與基板的結(jié)合力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使線路從基板上脫落。
     在制造多層線路板時(shí)，內(nèi)層銅箔也需要進(jìn)行強(qiáng)化處理。傳統(tǒng)的內(nèi)層銅箔使用黑化處理方法，但是黑化方法產(chǎn)生的氧化銅會(huì)在后續(xù)過(guò)程中產(chǎn)生空洞，造成層間互連可靠性降低[10]。有日本研究人員[11]采用在酸性硫酸鹽電鍍銅溶液中添加苯并喹啉系列有機(jī)物作為添加劑，并改變?nèi)芤褐械乃徙~比和操作條件對(duì)內(nèi)層銅箔進(jìn)行處理，避免了“空洞”現(xiàn)象的發(fā)生。
     3. 2 PCB 制作
     3. 2. 1 PCB 微孔制作
     印制板上的小孔具有至關(guān)重要的作用，通過(guò)它不僅可以實(shí)現(xiàn)印制板各層之間的電氣互連，還可以實(shí)現(xiàn)高密度布線。一張印制板上常常具有成千上萬(wàn)個(gè)小孔，有的多達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè)甚至十萬(wàn)個(gè)。在這些孔中不僅有貫通于各層之間的導(dǎo)通孔，還有位于印制板表層的盲孔和位于內(nèi)部的埋孔，而且孔徑大小不一，位置各異。因此，孔內(nèi)銅金屬化的質(zhì)量就成為決定印制板層間電氣互連的關(guān)鍵[12]。傳統(tǒng)的印制板孔金屬化工藝主要分2步：一是通過(guò)化學(xué)鍍銅工藝在鉆孔上形成一層導(dǎo)電薄層（厚度一般為 0.5 μm），二是在已經(jīng)形成的化學(xué)鍍銅層上再電鍍一層較厚的銅層（20 μm 左右）。
     但是化學(xué)鍍銅層存在以下問(wèn)題：（1）鍍速比較慢，生產(chǎn)效率低，鍍液不穩(wěn)定，維護(hù)嚴(yán)格[13]；（2）使用甲醛為還原劑，是潛在的致癌物質(zhì)且操作條件差[14]；（3）使用的 EDTA 等螯合劑給廢水處理帶來(lái)困難[15]；（4）化學(xué)鍍銅層和電鍍層的致密性和延展性不同，熱膨脹系數(shù)不同[16]，在特定條件下受到熱沖擊時(shí)容易分層、起泡，對(duì)孔的可靠性造成威脅?；谝陨蠋c(diǎn)，人們開(kāi)發(fā)出了不使用化學(xué)鍍銅而直接進(jìn)行電鍍銅的工藝[14-16]。該方法是在經(jīng)過(guò)特殊的前處理后直接進(jìn)行電鍍銅，簡(jiǎn)化了操作程序。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，又由于化學(xué)鍍銅工藝存在種種問(wèn)題，化學(xué)鍍銅必將會(huì)被直接電鍍銅工藝所取代。

2. 2 酸性硫酸鹽電鍍銅鍍液組成及各成分作用
     電子行業(yè)使用的硫酸鹽鍍銅溶液中主要含有CuSO4、H2SO4、Cl?和有機(jī)添加劑等成分。
     2. 2. 1   硫酸銅
      CuSO4 是主鹽，是溶液中 Cu2+的來(lái)源，濃度要適度。過(guò)低則沉積速率較慢；過(guò)高則沉積速率過(guò)快，結(jié)晶顆粒粗大，并影響鍍液的深鍍能力，使板面與孔內(nèi)厚度差別過(guò)大。CuSO4 ·5H2O 含量 60 ~ 100 g/L。
    2. 2. 2   硫酸
     H2SO4 主要增加鍍液的導(dǎo)電能力，并防止 Cu2+水解，濃度也要適量。太高鍍液分散能力差，太低鍍層脆性增加，韌性下降。尤其是在印制板電鍍通孔操作中要保持 ρ (H2SO4)/ ρ (Cu2+)一定的比例，才能達(dá)到較好的深鍍效果。H2SO4含量 180 ~ 220 g/L。
    2. 2. 3   Cl–
    Cl–可以提高陽(yáng)極的活性，促進(jìn)陽(yáng)極正常溶解，防止陽(yáng)極鈍化；還可以減少因陽(yáng)極溶解不完全產(chǎn)生的“銅粉”，提高鍍層的光亮和整平能力，改善鍍層質(zhì)量。一般含量較低，30 ~ 80 mg/L 左右[6]。
    2. 2. 4   添加劑
    添加劑在酸性鍍銅中很關(guān)鍵，一般有載運(yùn)劑、光亮劑、整平劑等，通常需要幾種添加劑協(xié)同作用才能達(dá)到理想的效果。它可以改變電極的表面吸附狀況，進(jìn)而改變鍍層的結(jié)構(gòu)。不過(guò)在實(shí)際的電鍍過(guò)程中添加劑的量比較難以控制，這是 HDI（高密度印制板）中高厚徑比微孔電鍍的難題，外已有研究者通過(guò)改變
脈沖電鍍的條件開(kāi)發(fā)不使用添加劑的技術(shù)[7-8]。
    3 電鍍銅在電子材料領(lǐng)域的應(yīng)用
    3. 1 銅箔粗化處理
     銅箔是制造印制板的關(guān)鍵導(dǎo)電材料，但是印制板外層銅箔毛面在與絕緣基板壓合制造覆銅板之前必須經(jīng)過(guò)電鍍銅粗化處理，使之具有一定的表面粗糙度，才能保證與基板有足夠的粘合力。銅箔的粗化處理通常分 2 步：一是在較低銅離子濃度高電流密度下的粗化處理，二是在高銅離子濃度低電流密度下的固化處理[9]。粗化處理過(guò)程中必須使用特殊的添加劑，否則銅箔在高溫層壓制造覆銅板時(shí)會(huì)出現(xiàn)“銅粉轉(zhuǎn)移”現(xiàn)象，影響與基板的結(jié)合力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使線路從基板上脫落。
     在制造多層線路板時(shí)，內(nèi)層銅箔也需要進(jìn)行強(qiáng)化處理。傳統(tǒng)的內(nèi)層銅箔使用黑化處理方法，但是黑化方法產(chǎn)生的氧化銅會(huì)在后續(xù)過(guò)程中產(chǎn)生空洞，造成層間互連可靠性降低[10]。有日本研究人員[11]采用在酸性硫酸鹽電鍍銅溶液中添加苯并喹啉系列有機(jī)物作為添加劑，并改變?nèi)芤褐械乃徙~比和操作條件對(duì)內(nèi)層銅箔進(jìn)行處理，避免了“空洞”現(xiàn)象的發(fā)生。

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