李保忠 秦典成 肖永龍 張軍杰(樂健科技(珠海)有限公司， 廣東 珠海 519180)

薄膜工藝陶瓷基板面銅均勻性改善工藝研究

李保忠 秦典成 肖永龍 張軍杰(樂健科技(珠海)有限公司， 廣東 珠海 519180)

利用薄膜工藝在陶瓷表面得到銅薄膜，并利用電鍍工藝對薄膜進行加厚。同時，針對電鍍銅厚的不均勻性，通過調整鍍液成分、縮短陽極排列長度，調整鈦籃間距并改善電力線分布等電鍍工作條件，使Top面銅厚極差由19.24μm降至10.32μm，CPK由0.78升至1.59。Bot面銅厚極差由18.12μm降至11.43μm，CPK由0.88升至1.79，極大地改善了電鍍銅厚的均勻性，增加了陶瓷表面精細線路制作的可能性，為有覆晶/共晶工藝要求的LED光學器件提供了具備良好平整度、共面度及光潔度的高效散熱載體。

電鍍；均勻性；極差；陶瓷；精細線路

0 引言

隨著PCB逐漸朝輕、薄、短、小的趨勢發(fā)展，線路的精細化程度要求也越來越高，從而也要求線寬與線距越來越小。全板電鍍銅厚均勻性是精細線路制作過程中不可忽視的重要因素之一，板面銅厚如果不均勻，將導致不同厚度的銅面在同一時間內的蝕刻情況不一致，從而造成線路過蝕或間距不足[1]。

研究發(fā)現(xiàn)，在正常蝕刻條件下，對于相同間距的線路要求，面銅厚度差異為10μm時，線寬差異大約為12.5μm(0.5mil)。但當銅厚差異為25μm時，線寬差異最大可達1.3mil以上。同時，在精細線路制作時，由于要求線寬越來越小，導致在相同公差控制要求下，線寬的控制范圍越來越小，其控制難度更大[2]。因此，提升電鍍的均勻性，減小面銅厚度之間的差異以達到減小線路的線寬差異，對精細線路制作工藝的研究顯得非常重要。

薄膜工藝陶瓷基板在PVD之后，還需要經化學銅和全板電鍍才能達到規(guī)定的厚度要求。全板電鍍是指線路板在經化學沉銅后，一次性將面銅鍍到所需銅厚的一種電鍍方式，電鍍銅的基本過程如下：

(1)陽極過程：銅陽極在硫酸溶液中發(fā)生陽極溶解，提供了鍍液中所需的Cu2+。

Cu-2e→Cu2+

(2)陰極過程：含有硫酸銅、硫酸的鍍銅液中，在直流電壓作用下，會如下電極反應

Cu2++2e→Cu

但由于受到尺寸與電鍍夾具設計之限制，在電鍍加厚過程中往往會出現(xiàn)銅厚不均勻的現(xiàn)象。往往因銅厚極差過大，導致后續(xù)線路制作過程中出現(xiàn)蝕刻不盡而導致報廢。以此，有必要針對銅厚不均勻的形成原因進行分析并提出改善措施，為薄膜工藝陶瓷基板的產業(yè)化提供必要的技術支撐。

1 現(xiàn)有電鍍工藝

1.1 掛板方式

因陶瓷基板往往尺寸較小，故傳統(tǒng)的適合較大尺寸PCB的電鍍夾具便不能應用于陶瓷基板的電鍍。為了生產上的方便，我們設計了帶有卡槽的鐵質電鍍夾具，每個夾具可掛板6片。同時，為了分析造成電鍍不均勻性的原因，于每塊板上正反面各取9個量測點，以便于電鍍銅厚數(shù)據的收集。具體掛板方式及銅厚量測點位置如圖1所示。

圖1 電鍍掛板方式及銅厚測量點位置

1.2 電鍍參數(shù)設定

待確定好陶瓷基板電鍍的掛板方式后，再設置好如表1所示的工藝參數(shù)，以便于陶瓷基板表面銅電鍍加厚。

表1 電鍍工藝參數(shù)

1.3 銅厚均勻性現(xiàn)狀

電鍍銅厚的均勻性主要通過銅厚的最大值、最小值、極差、平均值、標準偏差及CPK值等來體現(xiàn)，其中極差和CPK值是評估整體銅厚均勻性的主要指標。在工程應用中，極差被定義為最大值與最小值的差值，CPK則被稱之為過程能力指數(shù)，該值越大則電鍍銅厚均勻性越佳。

(1)電鍍銅厚極差

利用銅厚測試儀對采用現(xiàn)有電鍍工藝所得陶瓷基板Top面和Bot面所取之54個點逐一量測銅厚，其結果分別如表2和3所示。

經觀察并分析可知，Top面最大銅厚為79.29μm，最小銅厚為60.05μm，銅厚極差為19.24μm。而Bot面最大銅厚為78.31μm，最小銅厚為60.19μm，銅厚極差為18.12μm。飛巴上方及左右兩邊邊緣區(qū)域的銅厚明顯高于中部區(qū)域，飛巴頂端銅厚也明顯高于底端銅厚，同一面銅厚極差達到19um，這顯然不適合精細線路的制作，亟需改善。

(2)電鍍過程能力

圖2和圖3反應了現(xiàn)有電鍍工藝電鍍時的過程能力大小，即電鍍銅厚均勻性的好壞。由圖2和圖3可見，Top面的CPK為0.78，Bot面的CPK為0.88，與行業(yè)對CPK所要求的1.3還相差甚遠。

2 銅厚不均勻原因及改善方案

2.1 不均勻性原因分析[3-7]

(1)邊緣效應的影響

根據法拉第電解定律可知，鍍層的厚度與電流成正比，假設鍍層的密度為一定值，則鍍層的厚度分布完全由陰極電流的分布所決定。在進行電鍍時，金屬離子按電力線的排布來進行電遷移。因同性相斥，板中央因電位較低，電力線較為稀疏，所以鍍層薄。而板邊板角因電位較高，電力線排列較密集，故而鍍層厚較厚。

(2)藥水流動性

因電鍍所采用的是深槽自動線，槽深掛具長，陰極擺動時，下排板擺動差，藥水穿孔流動差，下排板孔內銅離子補充較為困難，所以下排板面銅厚度薄。

(3)光劑PCM的分散性不佳

PCM的分散性不佳，導致了藥水的濃度受一定的影響，而藥水濃度不一致則會進一步導致鍍銅均勻性受影響。

(4)陽極面積的影響

生產經驗表明，陽極與陰極的面積比的最佳值應該是(2～4):1。在計算陽極與陰極面積比時應考慮到鈦籃的所有面的面積總和以及鈦籃中銅角表面積的系數(shù)。如果用12個鈦籃，陽極面積與陰極面積的比值為8:1，此時陽極上鈦籃排列長度超過與陰極上板排列長度，陽極過大，電力線也過多，電力線的排布更不均勻。這樣會導致陽極杠兩端電力線密集，孔銅、面銅鍍層較厚，而陽極桿中部電力線稀疏，孔銅、面銅鍍層較薄。

2.2 鍍銅均勻性改善方案

(1)調整鍍液成分及電鍍條件

原電鍍液成分及電鍍條件雖然符合“高酸、低銅、低電流及長時間”的原則，但還不是最佳，因此作如下優(yōu)化：

①將鍍液CuSO4·5H2O濃度調整為62g/L；H2SO4濃度調整為115mL/L ；Cl-濃度調整為68×10-6。

②選用分散性佳、賴溫性更好的光劑125T替代原有的PCM。

③降低電流密度至15ASF，并延長電鍍時間至90-120分鐘。

(2)調整陽極，改善電力線分布

原用鈦籃數(shù)量為12支，且陽極排列長度超過了飛巴上板的排列。同時陽/陰極面積之比為8:1，比例過大，電力線過多。飛巴兩端因電力線密集，因此孔銅及面銅較厚，而飛巴中部則因電力線稀疏，孔銅及面銅較薄。

表2 Top面電鍍銅厚(μm)

圖2 Top面銅厚過程能力

圖3 Bot面電鍍過程能力

鑒于此，現(xiàn)將12支鈦籃減為8支，縮短陽極排列長度，增加鈦籃間距。同時在陽極桿兩端的鈦籃中插入PVC管，減少銅角數(shù)量后并再調整鈦籃間距。

經上述調整后，得到如下表4所示的電鍍工藝參數(shù)：

表4 調整后的電鍍工藝參數(shù)

3 鍍銅均勻性改善結果

3.1 電鍍銅厚均勻性

按調整后的電鍍工藝參數(shù)進行電鍍，對所得陶瓷基板Top面和Bot面所取之54個點逐一量測銅厚，其結果分別如表5及表6所示。

經觀察并分析可知，Top面最大銅厚為74.56μm，最小銅厚為62.24μm。Bot面 最 大 銅 厚 為75.56μm，最小銅厚為64.13μm。根據極差的定義可知，Top面銅厚的極差為10.32μm，Bot面銅厚的極差為11.43μm。

3.2 電鍍過程能力

圖4和圖5反應了電鍍時的過程能力大小，即電鍍均勻性的好壞。由圖4和圖5可見，Top面的CPK 為1.55，Bot面 的CPK 為1.67，以超出行業(yè)對CPK所要求的1.3。

結合極差的結果來看，調整后的電鍍方案有效改善了薄膜工藝陶瓷基板表面銅厚的均勻性。

4 結語

薄膜工藝陶瓷基板的銅厚均勻性對精細線路制作將會產生重要影響，鍍液成分、陽極排列長度，鈦籃間距及電力線分布等是影響電鍍均勻性的關鍵因素，通過選用62g/L 的CuSO4·5H2O、115mL/L的H2SO4及 的68×10-6Cl-的 鍍液及125T光劑，調整電流密度降到15ASF，延長電鍍時間至90-120分鐘；同時將12支鈦籃減為8支，縮短陽極排列長度，增加鈦籃間距，并在陽極桿兩端的鈦籃中插入PVC管，減少銅角及再調整鈦籃間距等方式，可將Top面極差由19.24μm 降低至10.32μm，Bot面銅厚均勻性極差由18.12μm降至11.43μm；Top面CPK由0.78升至1.55，Bot面CPK 由0.88升 至1.67。這表明電鍍過程能力得到了大幅提升，面銅均勻性也得到了極大的改善，使陶瓷表面精細線路的制作成為可能。

圖4 Top面電鍍過程能力

圖5 Bot面電鍍過程能力

表5 Top面面銅厚度

表6 Bot面面銅厚度

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《化工管理》雜志征稿函

《化工管理》雜志是由中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會主管、中國化工企業(yè)管理協(xié)會主辦的國家級學術期刊，在國內外公開發(fā)行，國內刊號：CN11-3991/F，國際刊號：ISSN1008-4800?，F(xiàn)面向社會征收論文稿件。

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4.來稿論文如為獲獎論文，基金資助項目，請?zhí)峁┗痦椖棵Q、項目編號等。

Copper film,which could be thickened by panel plating,was obtained using DPC technology.Meanwhile,the copper plating thickness range was greatly decreased from 19.24μm to 10.32μm with the CPK increasing from 0.78 to 1.59 on top surface.The copper plating thickness range was sharply decreased from 18.12μm to 11.43μm with the CPK increasing from 0.88 to 1.79 on bottom face by adjusting ingredient of plating solution and shortening anodequeuing distance for the improvement of power line distribution,which led to the possibility of Fine line fabrication on Ceramic surface and provide a high ef ficiency heat dissipation carrier of good evenness,good coplanarity and good fineness for LED optical devices that have flip chip and Eutectic technology needs.

Plating; evenness; Range; ceramics; fine line