图形电镀工艺教材
一. 图形电镀简介：
在平板电镀后，板件经过干膜曝光显影后需要经过图形电镀。
图形电镀的目的在于加大线路和孔铜厚（主要是孔铜厚度），确保其导电性能和其他物理性能。根据不同客户不同板件的性能要求，一般孔壁铜厚在0.8mil-1.2mil之间（平板层+图电层），由板件特性决定其平板层和图电层的分配。
一般来说，平板电镀层仅保证可以保护稀薄的沉铜层即可，一般在0.3mil-0.4mil左右，特殊铜厚要求和线路分布不均除外，图形层则保证在0.4-0.6mil，在保证总铜厚的基础上，如果图形分布均匀，比较厚的图形层可以节省铜球耗用和蚀刻成本，提高蚀刻速度，降低蚀刻难度。反之，如果线宽要求不严，而图形分布不均线路孤立，则可以提高平板层厚度，降低图形电镀层厚度。
图形电镀后是蚀刻流程。
二. 图形电镀基本流程：
板件经过贴膜曝光显影后形成一定的线路，图形电镀就是针对干膜没有覆盖的铜面进行选择性加厚。
图形主要流程如下（水洗视条件不同，为一道至两道）：
进板—除油—水洗—微蚀—水洗—酸浸（硫酸）—电镀铜—水洗—酸浸（氟硼酸）—电镀（铅）锡—水洗—出板—退镀（蚀夹具）—水洗—进板
1 .除油：
电镀除油流程为酸性除油，主要是除去铜面表面的污物。因板件经过干膜流程后，不可避免地会在板面带上手印、灰尘、油污等，为使板面洁净，保证平板铜层和图形铜层的层间结合力，必须在电镀前加上清洁板面的流程。
采用酸性环境除油效果比碱性除油差，但避免了碱性物质对有机干膜的攻击，主要成分为硫酸和供应商提供的电镀配套药水（安美特—FR，B图电\C图电\脉冲线；罗门哈斯—LP200，B（II）线；成分均为酸性表面活性剂）。
酸性除油剂的浓度测定是通过测定计算浓硫酸（98%）浓度来相对估算（无法直接测定，而配缸和消耗都是1：1比例），因此在换缸和补充的时候要保证两者要等量添加，以保证测定浓度和实际浓度的一致性。
2. 微蚀：
除油的微蚀流程主要作用为去除表面和孔的氧化层，并将铜层咬蚀出微观上粗糙的界面，以进一步提高图形电镀层和平板层的结合力。
微蚀体系通常有两种：双氧水体系和过硫酸钠体系。图形电镀流程一般采用过硫酸钠和硫酸，硫酸起去除氧化，保持板面润湿的作用。
基本原理：S2O82-+ Cu →Cu2++ 2SO42-
另外，微蚀药水中应该保持一定浓度的铜离子（3-15g/l），以保证微蚀速率，微蚀速率控制在0.5μm -1.5μm/min为宜。因此微蚀缸的换缸一般要保留5-10%的母液。
3. 酸浸（电镀前）：
板件进入镀缸前先进入酸浸缸，可以进一步去除氧化，减轻前处理清洗不良对镀缸的污染，并保持镀缸酸浓度的稳定。
酸浸的体系主要取决于镀液的组分体系，镀铜药水是硫酸体系，酸浸缸药水就采用硫酸，镀锡（铅锡）药水是氟硼酸体系，酸浸缸药水就采用氟硼酸。酸浸浓度和镀缸酸浓度也保持一致，以减少对镀缸酸浓度的稀释作用。
4. 镀铜：
4.1 基本原理
镀铜是通过电压的作用下，使阳极的铜氧化成为铜离子，铜缸的铜离子在阴极获得电子还原成铜：
阳极：Cu - 2e →Cu2+
阴极：Cu2+ + 2e →Cu
这是镀缸里的最主要的反应，在酸度不足的情况下，还可能出现还原不完全而产生一价铜，即所谓的“铜粉”，会导致镀层粗糙或呈海绵状，这种情况应该避免在电镀过程中出现。
4.2 主要成分及作用：
镀铜缸主要成分为硫酸铜、硫酸、微量氯离子、供应商提供的镀铜添加剂。
硫酸铜是镀液中主盐，它在水溶液中电离出铜离子，铜离子在阴极上获得电子沉积出铜镀层。较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，则会降低镀液分散能力。一般控制在50-80g/l之间，折合成铜离子约为12-20g/l。
硫酸的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，镀层光亮度下降；硫酸浓度太高，虽然镀液分散能力较好，但镀层的延展性降低。一般控制在100-150ml/l（98%）。
氯离子主要作用是使阳极溶解均匀，镀层平滑有光泽。氯离子正常时阳极膜呈黑色，过量则变成灰白色。氯离子不足容易使镀层出现发花，光泽低，而过高的氯离子容易使阳极钝化无法继续溶解。配槽以及补加水都要纯水，不可用自来水，因为里面加有氯气或漂白粉，会带入大量的氯离子。一般控制在40-80ppm 间。通常补充氯离子采用36.5%盐酸加入。
镀铜添加剂主要有两个组分：光亮剂、整平剂（调整剂），均为商品化产品，一般是一些含S或N的有机物。添加剂的作用为加速铜的沉积，改善其晶粒排布，以提高铜层的延展性等品质。光亮剂主要作用在电镀界面上，控制铜堆积的速率以保证沉积出来的铜层均匀光滑，从而使镀层光亮。整平剂（调整剂）主要吸附在阴极表面,尤其是电流密度较高的位置（例如孔的拐角部位和板件的边缘）,从而对电沉积起到抑制作用,使镀层平整。没有添加剂或添加剂不足，铜将在板件上做无规律的堆积，产生凹凸不平和烧焦的铜层，从而无法保证镀层的物理性能。添加剂的补充主要是通过自动统计的电镀安培小时数按比例添加。
4.3 电镀条件及影响
电镀铜一般有以下几个重要的因素：温度、搅拌、过滤、电流、时间
温度：对镀液性能影响很大，温度提高，会导致允许的电流密度提高，加快电极反应速度，但温度过高，会加快添加剂的分解，使添加剂的消耗增加，同时镀层光亮度降低，镀层结晶粗糙。温度太低，虽然添加剂的消耗降低，但允许电流密度降低，高电流区容易烧焦。一般控制在20-30 ℃，最佳控制22-28 ℃。
搅拌：可以消除浓差极化，使镀液提高允许电流密度。搅拌一般通过使阴极（板件）移动（摇摆）和使溶液流动（打气或喷流循环）共同进行。
1）摇摆：通过摇摆轮带动摇摆杆的运动来实现阴极板件的移动。可以促进孔的溶液流动，也能及时被赶出出现的气泡
2）打气：通过压缩空气搅拌对镀液进行的中度到强烈的翻动，对镀铜液而言，不仅使镀液能够充分地搅拌均匀，还能提供足够的氧气，促进溶液中的Cu+氧化
成Cu2+，协助消除Cu+的干扰。
3）喷流循环：也叫喷射式搅拌，通过镀缸底部不同角度的喷射管经过加压把镀液做一定速度的喷射，以加速镀液的交换，同样也起到使镀液浓度保持均匀，从而提高孔镀层均匀性的作用。喷流循环和打气搅拌两者只能选其一，如果两种方式同时使用，则容易出现气泡夹杂在镀液进入喷射管再通过喷射作用在板面上从而引起针孔等缺陷。
过滤：主要是通过循环过滤泵安装一定数量的过滤芯来净化镀缸镀液，使镀液中的杂质及时地除去，避免板面镀层问题，同时镀液的循环流动（一般镀缸均配置有体积不等的副槽）也使镀缸各位置药水浓度保持均匀一致。过滤芯使用5-10微米的棉芯或PP滤芯，一般镀缸镀液每小时过滤4-8个循环。
电流密度和电镀时间：电流密度指的是单位面积上分配到的电流大小，通常用安培/平方分米（ASD）作单位，电流密度可以衡量铜层沉积的速度，电流密度大，则沉积速率快。在保证板件质量的条件下，高电流密度能提高生产效率。但电流密度不能随意升高，由设备能力（整流机和阳极面积及排布）和板件特性（线路情况和板件质量要求）决定。电镀时间则根据铜厚要求和电镀线自身能力限定的最大电流密度来安排。在图形电镀中，由于图形分布均不一致，不同板件的电流密度和电镀时间一般都要经过试镀，测定孔壁铜厚后再调整为正式生产，以避免孔铜不足或过高带来的质量问题。
4. 4 主要物品：
阳极：为含磷0.04-0.06%的铜球，含磷阳极可以维持合适的溶出速度，避免阳极溶解过快产生的铜粉，而过高的磷含量会使阳极钝化影响其溶解。铜含量一般要求在99.9%以上，过多的金属杂质会导致镀层的物理性能降低。
阳极篮、阳极袋：阳极篮是盛放含磷铜球的器具，一般为金属钛制成，钛金属不溶出，不影响镀液。阳极袋套在阳极篮上，可避免含磷阳极泥进入镀缸污染镀液。阳极袋一般比阳极高3-4厘米，避免因镀液搅动而从阳极篮上方带出阳极泥。
5. 镀（铅）锡：
镀完铜后经过氟硼酸缸后进入铅锡缸。镀铅锡主要是对保留线路进行保护。在碱蚀流程中，蚀刻液对铅锡层无明显的作用，在要保留线路上菲林开窗镀上铜
并镀上铅锡，铅锡可以作为蚀刻时要求保留的铜面的蚀刻阻剂，来保护其不受蚀刻液的攻击。一般来说，铅锡层作为保护层，厚度没有过高的要求，在120-150μ”已经可以保证保护效果。
镀铅锡主要采用的是氟硼酸体系，则其药水主要成分是氟硼酸铅、氟硼酸锡和氟硼酸。氟硼酸铅和氟硼酸锡是主盐，氟硼酸起增加导电性作用。同样镀铅锡也需要相应的一些添加剂来确保铅锡层的质量，添加剂包括校正液、精细剂等，有的则是将完成功能都放在一起组成单一组分，铅锡添加剂的添加也是通过安培小时数的自动统计来控制自动添加的。镀铅锡所用阳极为铅锡比例为37/63的商品化产品。
6. 退铅锡：
镀完铅锡后板件就走完整个图形电镀流程，回到入板位置开始卸板。板件卸完后不是立刻上板，而要经过退铅锡流程。退铅锡是为了使夹具夹点镀上的铅锡（包括包在里面的铜）不会逐渐累积而影响板件和夹点的接触，避免夹点上铜导致电镀面积的变化影响铜厚。退铅锡缸的成分为硝酸，浓度为50%左右。
三. 工艺要点：
1. 电流指示的制作：
制作电流指示时一定要先查看MI资料，确认客户类型、板厚、最小孔径、板厚孔径比、要求的最小孔壁铜厚、图形分布情况、是否有平板加厚、孔径公差要求及后处理方式（沉镍金板、OSP板、无铅喷锡和沉锡等）。一般括号四种后处理方式的板件由于后处理时蚀铜量大，通常要加大0.1-0.15mil。
图形电镀主要是对孔铜进行加厚，考虑不同板厚孔径比（板厚与孔径的比值），以上公式应该再除以深镀能力（镀液由于在表面交换比在孔交换频繁，孔的镀层厚度与表面的镀层厚度为一个小于1的比值，板件厚度越大，孔径越小，比值越小，而且不同的镀液成分和比例也有所不同），然后按不同电镀线的电镀周期及其相应的特点，设定其电流密度和电镀时间。
试镀电流参数可以通过以下估算来确定：
根据法拉第定律，可以推导出电镀铜层的沉积速率约为：
v （mil/min）=0.0087*D*η(D：电流密度/ASD ；η：电流效率/%)
一般电流效率按95%计算，则理论电镀铜厚度（mil）= 电流密度（ASD）*
电镀时间(min)/120/深镀能力
深镀能力大致可参考下表代入以上公式（图形分布差异未考虑）：
罗门哈斯125体系：
安美特TP体系：
对于平板加厚板件，若板厚超过3mm板件，即使平板加厚至0.5mil，但实际上只有0.3mil左右，电流指示设计时要充分考虑厚板的深镀能力较差，适当提高电流密度或延长电镀时间，防止出现多次试镀孔壁铜厚不足。
对图形分布情况的影响：电镀面积超过50%的板件可能存在大铜面，电流指示设计时也要考虑进去，板边较大但板图形孤立、线路稀疏的板件一般要使用较低的电流密度防止镀层过厚夹膜。
电镀面积的估算：通常以板面面积估算为主，电镀面积为拼板总面积*电镀面积所占比例，孔面积一般约占10%，但可不考虑，试镀后再做调整。当孔径大小等于板厚时，孔壁展开面积对真实电镀面积的影响很大，当厚板板面有很多较大的插件孔时，真实电镀面积增加量很大，电镀时必须进行考虑，则应该把孔面积计算进去。当估算的电镀面积与电脑上提供的面积进行比较，若误差较小时按电脑上提供的面积为准，若相差较大时要求事业部拼板组重算确认。
目前各图形电镀线的电流指示制作参考经验值（板厚孔径比为5：1，超过可略提高0.1-0.2ASD，表中乘号前后单位分别为ASD、min）：