印制电路板生产中电镀铜

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1、南京信息职业技术学院毕业设计(论文)说明书作者 雷龙刚 学号 30711P07 系部 微电子工程系 专业 电子电路设计与工艺 题目 印制电路板生产中电镀铜 工艺及常见故障分析 指导教师 陈和祥 评阅教师 完成时间： 2010年 5 月 12 日 题目：印制电路板生产中电镀铜工艺及常见故障分析摘要：镀铜层在空气中极易被氧化而失去光泽，铜柔软容易活化，能够与其他金属镀层形成良好的金属金属间键合，从而获得镀层间良好的结合力。因此，铜可以作为很多金属电沉积的底层，镀铜在印制板制作过程中占有重要位置。印制电路板镀铜包括化学镀铜和电镀铜，其中电镀铜是PCB制作中的一个重要工艺。文章主要介绍电镀铜的工艺技术

2、，应注意的操作技术问题和一些常见故障的产生原因和处理方法。关键词：印制电路板 电镀铜 分析Title: The copper plating and the common fault analyzing in the printed circuit board manufacturing process Abstract: Copper layer in the air by oxidation and lose luster, copper to activate, soft and other metal coating forming good metals - metal bondin

3、g, thus obtains good adhesion between the coating. Therefore, copper can be used as a lot of metal, the electrodeposition of copper in PCB manufacture occupies an important position in the process. PCB copper including electroless copper and copper plating copper plating, which is an important proce

4、ss of PCB production. This article mainly introduces the copper plating technology, should pay attention to the operation technical problems and some common failure causes and treatment method.Keywords: printed circuit board copper plating analyzing目 录1 绪论2 电镀铜工艺2.1 电镀铜的作用和目的2.2 镀液中各成分作用2.3 镀液的配置2.4

5、 镀液的维护2.5 浸酸2.6 全板电镀2.7 图形电镀2.8 孔金属化2.9 酸性除油2.10 微蚀3 电镀铜工艺的常见故障3.1 镀层发花或发雾3.2 镀层粗糙3.3 镀铜层上有麻点3.4 镀铜层上有条纹3.5 镀铜层光亮整平性不足结论致谢参考文献1 绪论印制板镀铜在我国已有三十余年的历史，镀铜技术也在日益成熟和完善。镀铜溶液有多种类型，如:硫酸盐型，焦磷酸盐型，氟硼酸盐型以及氰化物型。目前比较常用的是硫酸盐型，因为硫酸盐型镀液可以获得均匀，细致，柔软的镀层，并且镀液成分简单，分散能力和深镀能力好，电流效率高，沉积速度快，污水处理简单等优点。硫酸盐型镀铜液分为两种，一种是用于零件电镀的普通

6、硫酸盐镀铜液；一种是用于印制板电镀的高分散能力的镀铜液，这种镀液具有“高酸低铜”的特点，因而有很高的导电性和很好的分散能力和深镀能力。华远电子科技有限公司用的就是酸性硫酸盐镀液，下面就以此为例介绍PCB电镀铜的工艺技术和常见问题的处理方法。2 电镀铜工艺2.1 电镀铜的作用和目的在印制板过程中，铜镀层有两种作用：一种是全板电镀铜，保护刚刚沉积的薄薄化学铜，防止化学铜氧化后被酸浸蚀掉，通过电镀将其加厚到一定的厚度，通常为5um-8um，也叫一次铜。另一种是图形电镀铜，将孔铜和线路铜加厚到一定厚度或作为镍的底层，通常厚度为20um-25um,也叫二次铜。2.2 镀液中各成分作用（1）硫酸铜硫酸铜是

7、镀液中主盐，它在水溶液中电离出铜离子，铜离子在阳极上获得电子沉积出铜镀层。硫酸铜浓度控制在60-100克/升，提高硫酸铜浓度可以提高允许电流密度，避免高电流区烧焦，硫酸铜浓度过高，会降低镀液分散能力。（2）硫酸硫酸主要作用是增加溶液的导电性。硫酸的浓度对镀液的分散能力和镀层的机械性能均有影响，硫酸浓度太低，镀液分散能力下降，镀层光亮范围缩小；硫酸浓度太高，虽然镀液分散能力较好，但镀层的延展性会降低。硫酸浓度以160-220克/升为宜。（3）氯离子氯离子是阳极活化剂，又是镀层的应力消除剂。氯离子可以帮助阳极溶解，并且和添加剂协同作用使镀层光亮、平整，还可以降低镀层的张应力。氯离子浓度太低，镀层无

8、光泽并出现台阶状粗糙镀层，易出现针孔和烧焦；氯离子浓度过高导致阳极钝化，使阳极产生一层白色膜且放出大量气泡，电极效率大大降低。氯离子可控制在40-100mg/L。正常操作时，需随时注意氯离子的浓度。氯离子浓度正常，则磷铜阳极上有一层均匀的黑色膜。2.3 镀液的配置镀液的配置方法主要如下所示：（1）以10%的HaOH溶液注入镀槽，开启过滤机和空气搅拌。将此液加温到60，保持4-8小时，然后用清水冲洗。再注入5%硫酸，同样开启过滤机和空气搅拌4-8小时，用清水冲洗干净。同时检查过滤机及搅拌系统是否配置得当。备用槽也同样清洗干净。（2）在备用槽内，注入所配溶液1/4体积的蒸馏水或去离子水，在搅拌下缓

9、慢加入计量的硫酸，借助于溶解所放出的热量，加入计量的硫酸铜，搅拌使全部溶解。注意温度不要超过60。（3）加入1-2毫升/升H2O2,搅拌1小时，升温至65，保温1小时，以赶走多余的双氧水。（4）加入3克/升活性炭，搅拌1小时，静止1小时后过滤，直至溶液中没有碳粉为止。将溶液转至渡槽。（5）加入计量的盐酸，加入计量的添加剂，加蒸馏水或去离子水至所需体积。放入预先准备好的阳极。（6）以0.5安培/每分米阳极电流密度进行电解处理，使阳极形成一层致密的黑色薄膜。大约3-4小时以后，可以投入使用。配置镀液时，如果使用高质量的硫酸铜，也可以省去（3）步。2.4 镀液的维护镀液需要良好的维护，才能保证镀层质

10、量的稳定。（1）定期分析调整镀液中的硫酸铜，硫酸和氯离子的浓度，使之经常处于最佳状态。镀液的分析周期可根据生产量大小来决定，一般每周至少分析调整一次，若生产量大的几乎每天都要分析调整。增加10毫克/升的氯离子，可以加入0.026毫升/升的试剂级盐酸。（2）添加剂的补充：在电镀的过程中，添加剂不断消耗，可以根据安时数，按供应商提供的添加量进行补充，但还要考虑镀件携带的损失，适当增加5-10%。经常进行赫尔槽试片的检查也是确定镀液中添加剂含量是否正常的方法，根据赫尔槽试片调整的结果，补加光剂就比较客观和可靠。（3）定期用活性碳处理：在电镀过程中，添加剂要分解，同时干膜或抗电镀油墨分解物及板材溶出物

11、等都会对镀液构成污染，因此要定期用活性碳净化。一般每年至少用活性碳处理一次，处理步骤如下：将镀液转至一个经清洗的备用槽中。将温度升至43。边搅拌边加入1-2毫升/升H2O2，在43下充分搅拌溶液2小时。升温至65，继续搅拌1小时以上。将镀液冷却至32以下，加1-5克/升活性碳细粉，搅拌2小时，关闭搅拌，让溶液沉降。此时，可适当取小样做赫尔槽实验，如果在整个电流密度范围内无光泽，可进行过滤。注意一定要把活性碳过滤干净。溶液回滤到电镀槽后，根据赫尔槽实验加入光亮剂，以0.7-1.2A/dm2电流密度空镀约1-2小时，是阳极长膜。并加入开缸量的添加剂，进行试镀。2.5 浸酸浸酸作用与目的：除去板面氧

12、化物，活化板面，一般浓度在5%，有的保持在10%左右，主要是防止水分带入造成槽液硫酸含量不稳定；时间不宜太长，防止板面氧化；在使用一段时间后，酸液出现浑浊或铜含量太高时应及时更换，防止污染电镀铜缸和板件表面；浸酸用的硫酸一般选用CP级硫酸。2.6 全板电镀全板电镀铜：又叫一次铜，或者称为板电（Panel-plating）。 其作用与目的是保护刚刚沉积的薄薄的化学铜，防止化学铜氧化后被酸浸蚀掉，通过电镀将其加后到一定程度 。全板电镀铜相关工艺参数：槽液主要成分有硫酸铜和硫酸，采用高酸低铜配方，保证电镀时板面厚度分布的均匀性和对深孔小孔的深镀能力；硫酸含量多在180克/升，多者达到240克/升；硫

13、酸铜含量一般在75克/升左右，另槽液中添加有微量的氯离子，作为辅助光泽剂和铜光剂共同发挥光泽效果；铜光剂的添加量或开缸量一般在3-5ml/L，铜光剂的添加一般按照千安小时的方法来补充或者根据实际生产板效果；全板电镀的电流计算一般按2A/dm2乘以板上可电镀面积，对全板电来说，以即板长(dm)板宽(dm)22A/dm2；铜缸温度维持在室温状态，一般温度不超过32度，多控制在22度，因此在夏季因温度太高，铜缸建议加装冷却温控系统。每日根据千安小时来及时补充铜光剂，按100-150ml/KAH补充添加；检查过滤泵是否工作正常，有无漏气现象；每隔2-3小时应用干净的湿抹布将阴极导电杆擦洗干净；每周要定

14、期分析铜缸硫酸铜（1次/周），硫酸（1次/周），氯离子（2次/周）含量，并通过霍尔槽试验来调整光剂含量，并及时补充相关原料；每周要清洗阳极导电杆，槽体两端电接头，及时补充钛篮中的阳极铜球，用低电流0.2-0.5ASD电解6-8小时；每月应检查阳极的钛篮袋有无破损，破损者应及时更换；并检查阳极钛篮底部是否堆积有阳极泥，如有应及时清理干净；并用碳芯连续过滤6-8小时，同时低电流电解除杂；每半年左右具体根据槽液污染状况决定是否需要大处理（活性炭粉）；每两周要更换过滤泵的滤芯。全板电镀如果需要大处理程序，就应该进行如下所示的操作。取出阳极，将阳极倒出，清洗阳极表面阳极膜，然后放在包装铜阳极的桶内，用微

15、蚀剂粗化铜角表面至均匀粉红色即可，水洗冲干后，装入钛篮内，方入酸槽内备用；将阳极钛篮和阳极袋放入10%碱液浸泡6-8小时，水洗冲干，再用5%稀硫酸浸泡，水洗冲干后备用；将槽液转移到备用槽内，加入1-3ml/L的30%的双氧水，开始加温，待温度加到65度左右打开空气搅拌，保温空气搅拌2-4小时；关掉空气搅拌，按3-5克/升将活性碳粉缓慢溶解到槽液中，待溶解彻底后，打开空气搅拌，如此保温2-4小时；关掉空气搅拌，加温，让活性碳粉慢慢沉淀至槽底；待温度降至40度左右，用10um的PP滤芯加助滤粉过滤槽液至清洗干净的工作槽内，打开空气搅拌，放入阳极，挂入电解板，按0.2-0.5ASD电流密度低电流电解

16、6-8小时；经化验分析，调整槽中的硫酸，硫酸铜，氯离子含量至正常操作范围内；根据霍尔槽试验结果补充光剂；待电解板板面颜色均匀后，即可停止电解，然后按1-1.5ASD的电流密度进行电解生膜处理1-2小时，待阳极上生成一层均匀致密附着力良好的黑色磷膜即可；试镀可行即可。2.7 图形电镀图形电镀也称二次镀铜，线路镀铜等。为满足各线路额定的电流负载，要求各线路和孔铜镀铜后需要达到一定的厚度。而图形线路镀铜的目的就是及时将孔铜和线路铜加厚到一定的厚度。图形电镀是采取把线路图形之外部分掩蔽， 而对线路图形进行电镀铜层加厚。但在制造比较复杂的电路板中，常常将全板电镀与图形线路电镀结合起来同时使用。图形电镀铜

17、的工艺和参数基本上与全板电镀相同。2.8 孔金属化孔金属化是为印制板中绝缘孔壁上镀一层铜，使层间实现电连接，而金属化孔的质量与印制板电镀铜高质量有很重要的关系，包括化学镀铜、电镀铜和去环氧腻污工艺。（1）化学镀铜，为绝缘的孔壁镀上一层薄导电铜层。该导电层必须均匀、连续。无针孔，这样才能使随后的全板电镀铜满足要求获得质量好的化学镀铜层的关键是采用性能好，又是用户信得过的化学镀铜溶液体系，严格控制工艺参数，确保化学镀铜溶液和前处理溶液处于最佳工作状态，可以有效地防止化镀铜层出现空洞，如图1所示。图1 PTH孔破图（2）电镀铜，在图形电镀工艺中包括全板镀铜和图形电镀铜，高质量的电镀铜就能确保高质量的

18、金属化孔，如图2和图3所示。 图2 二铜孔破 图3 一铜孔破2.9 酸性除油酸性除油的目的与作用：除去线路铜面上的氧化物，油墨残膜余胶，保证一次铜与图形电镀铜或镍之间的结合力。使用酸性除油剂，为何不是用碱性除油剂且碱性除油剂除油效果较酸性除油剂更好，主要因为图形油墨不耐碱，会损坏图形线路，故图形电镀前只能使用酸性除油剂。生产时只需控制除油剂浓度和时间即可，除油剂浓度在10%左右，时间保证在6分钟，时间稍长不会有不良影响；槽液使用更换也是按照15平米/升工作液，补充添加按照100平米0.5-0.8L。2.10 微蚀微蚀的目的与作用：清洁粗化线路铜面，确保图形电镀铜与一次铜之间的结合力。微蚀剂多采

19、用过硫酸钠，粗化速率稳定均匀，水洗性较好，过硫酸钠浓度一般控制在60克/升左右，时间控制在20秒左右，药品添加按100平米3-4公斤；铜含量控制在20克/升以下；其他维护换缸均同沉铜微蚀。 3 电镀铜工艺的常见故障硫酸铜电镀在线路板制作中占着极为重要的地位，硫酸铜电镀的好坏直接影响电镀铜层的质量和相关机械性能，并对后续加工产生一定影响， 因此控制好硫酸铜电镀的质量是线路制作电镀中重要的一环。在硫酸铜电镀中，一般要注意以下几个问题3.1 镀层发花或发雾出现故障的原因是：镀前处理不良，零件表面有油；清水洗或镀液中有油污；铜阳极面积太小或太短；镀液中聚二硫二丙烷磺酸钠光亮剂太多；在含有十二烷基磺酸钠

20、的镀铜液中，其含量过低，也会导致镀铜层出现发花现象；镀液中含铁杂质高，也会引起镀铜层发花等。排除此类故障的方法有：加强镀前处理；清除清水洗和镀液表面油污；增加铜阳极面积和长度；适当稀释镀液和调整镀液中光亮剂比例；向镀液中加入0.05g/L十二烷基硫酸钠；用稀释镀液的方法来降低镀液中铁杂质的含量（稀释后再补充其他成分）。3.2 镀层粗糙出项故障的原因是：镀液添加剂失调；镀液太脏；CL-含量太少；电流过大；有机物分解过多等。排除此类故障的方法有：哈氏槽实验确定其添加量；连续过滤镀液；通过分析调整CL-含量；调整电流到适当值；做活性碳处理。3.3 镀铜层上有针孔麻点出现故障的原因可能有：搅拌不均匀；

21、镀液有油污；镀液太脏等。排除此类故障的方法有：调整加强搅拌；活性碳处理；加强过滤。3.4 镀铜层上有条纹出现此类故障的原因有：预镀镍溶液中有胶类杂质，使预镀镍层产生条纹，从而使镀铜层反映出条纹；镀铜液中CL-过多；光亮剂N或四氧噻唑硫酮过多；镀液中硫酸铜含量过低等。排除这类故障的措施有：加强预镀液管理或镀前处理，取一些铜零件或铜片，手工擦刷除油和活化后，跳跃预镀镍槽，直接进入光亮硫酸盐镀铜液中电镀，如果镀铜层上没有条纹了，说明光亮镀铜液没有问题，应该从预镀镍液或镀前处理中找原因；向镀液中补充N光亮剂或四氢噻唑硫酮后出现光亮的树枝状条纹，是由于N光亮剂或四氢噻唑硫酮过量引起的，这时可向镀液中加入

22、适量的双氧水（一般加30%的双氧水0.05mL/L-0.1mL/L）,再加入适量的聚二硫二丙烷磺酸钠进行调整，或者电解一段时间就可消除；控制镀铜液中CL-含量，发现CL-含量过多，必须进行除CL-处理；分析控制镀液中硫酸铜含量在工艺规范内。3.5 镀层与基体结合力差出现此类故障的原因有：镀前粗化不良；贴膜显影后产生余胶；镀前基体不清洁，有油污等。排除这类故障的措施有：加强粗化处理，调整或更换粗化液；加强显影工艺；加强板子清洁处理。3.6 镀液分散能力差，深孔、小孔浸镀差出现此类故障的原因有：硫酸含量低；铜离子过高；金属杂质影响；光亮剂含量不当等。排除这类故障的措施有：增加H2SO4量，使在规定

23、值；稀释镀液，使Cu2+在规定值；小电流电解处理；霍尔槽实验确定其添加量。3.7 镀铜层光亮整平性不足实际上这是酸性镀亮铜的一个大故障，引起的原因很多，主要有:镀液中光亮剂不足或光亮剂过多，光亮剂比例失调；镀液中氯离子含量不当；硫酸铜含量高；硫酸含量高；有机杂质多；镀液温度太高等。排除这类故障的措施有：凭霍尔槽试验或看工件状况控制镀液中光亮剂消耗比例；控制镀液中的氯离子的含量，若怀疑出现故障是镀液中氯离子的原因，要先试验确认，切不可盲目在大槽中补加盐酸等调整；控制镀液中硫酸铜和硫酸的含量也非常重要，而且他们又与阳极溶解以及阳极含磷量有关；还有，通过严格控制镀铜液温度，保持镀液干净（加强镀液过滤

24、）等措施消除一些酸性电镀铜故障。结 论通过电镀可以改变固体材料的表面特性：改善外观、提高耐蚀性能、抗磨损、减磨以及其他性能。随着我国社会主义市场经济的发展，黑色金属、有色金属及非金属材料零件的数量将会不断增加，对表面性能的要求也越来越高，铜可以作为很多金属电沉积的底层，镀铜在印制板制作过程中占有重要位置。本文主要介绍电镀铜的工艺技术，应注意的操作技术问题和一些常见故障的产生原因和处理方法，以便更好的解决镀层的致密性和均匀性。致 谢在论文的完成过程中，陈和祥老师在论文的选题、修改以及论文的实验过程中给予了我悉心的指点和无私的帮助。同时，感谢宁波华远电子科技有限公司提供的实验条件和公司同事的关心与支持。参考文献1 金鸿,陈森.印制电路技术.北京：化学工业出版社,2003.12.2 李雪春.印制电路板的电镀铜工艺.印制电路信息,2004(5):26-28.3 林其水.PCB电镀铜工艺和常见问题的处理.印制电路信息,2009(4):47-50.4 朱立群.实用电镀故障分析与处理技术.北京：国防工业出版社，2007.6.