电路板图形电镀均匀性改善研究

 

    1、前言

  随着PCB不断向轻、薄、短小高密度方向发展,给很多设备和生产工艺带来了更高要求。其中线路板图形间距越来越小,而孔铜厚要求却越来越高,给图形电镀均匀性就提出了新的挑战。我司旧图形电镀线在加工整板细密线路(最小间距3.5mil)的板子时,板边细密线路容易夹膜,导致报废。且发现板上有规律的铜厚分布不均匀,导致半成品切片判断孔铜失误,不能有效对半成品的铜厚作出准确判断。故决定对此线电镀均匀性进行专门测试分析,组织进行改善。

    2、测试说明:

 1)整个图形电镀线的电镀窗口为52×24(Inch2),深方向为24Inch;
 2)采用生益FR-4 板材,尺寸:24X24Inch2,2 块此尺寸板并排放置于电镀缸中进行测试 ;

 3)测试板距溶液表面0-1Inch,悬挂于溶液中间,不加分流条,22ASF,电镀60 分钟;

 4)深方向是指板子从镀液表面到溶液底部的方向;水平方向是指与阴极杆平行的方向;

 5)测量仪器采用的是德国Fischer 公司感应式表面铜厚测试仪,测量误差<0.5um;

 6)测试时每2×2Inch2 取一个测量点,用电镀后的铜厚减去电镀前的铜厚进行统计分析;

 7)因每进行一次测试,2 块板两面共有576 个数据,限于篇幅,文中只展示每次正面测量所作出示意图。7 次测试的数据,作为附件,另附一个文档。

    3、改善目标:

 1)总体COV(标准偏差与总体平均值的比值百分数)<11%(业界参考标准为<=8-12%);

 2)深方向镀铜厚度平均差异(深方向极差)<3um。

    4、首次测试:

 选取该线12#缸进行均匀性测试,其总体COV 为20.8%,水平方向的不均匀主要在板最两边,可以通过在挂具两侧加分流条和调整阳极间距来避免和改善。

 另外,从深方向的平均铜厚分布图(如图1)可以看出存在如下问题:

    如上图1 所示: 

    

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    图1 第一次测试深方向平均铜厚分布图

 (1)距离液面1-3 Inch 区域内,铜厚比整板平均镀铜要厚4.1um;
 (2)距离液面20-24Inch 区域内,铜厚明显比整板平均值薄4.8um;
 深方向镀铜平均值的极差为8.9um。

 结合电镀缸体设备进行分析,主要原因为:测试板上部电力线过于密集,造成板子上部1-3Inch区域电镀过厚;电镀槽底部部浮槽对板底端遮蔽过度,导致此区域电力线过于稀疏,从而铜厚过薄。

 针对以上两个问题,决定对电镀槽进行如下两个方面的改造,以便使得整体铜厚分布均匀:

 (1)通过试验测试,在电镀缸上部增加尺寸适宜的阳极挡板;
 (2)通过试验测试,对电镀www.pcblover.com缸中浮槽侧面进行适当的开孔。

    5、阳极挡板改善:

 根据前次电镀均匀性测试的结果,我们决定首先对上部镀铜过厚的问题进行改善。

    5.1 初次设计阳极挡板:

 首先设计了在缸体上部,距离阳极1Inch 的位置增加深入液面5Inch 的阳极挡板。

 测试总体COV 为21.7%,深方向铜厚极差为5.6um。深方向铜厚分布如图2 所示。 

    

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    图2 阳极挡板深入液面5 Inch 正面深方向铜厚分布

 图2 显示阳极挡板深入液面过深,遮蔽电力线过度,故需减少阳极挡板深入液面的尺寸。

    5.2 改造阳极挡板:

 随后把阳极挡板深入液面的尺寸减少到2Inch,重新制作2 个阳极挡板后再进行测试: 

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    图3 阳极挡板深入液面2Inch 正面深方向铜厚分布

 总体COV 也优化到17.9%,上部1-3Inch 区域铜厚与总体平均铜厚差异小于3um。深方向平均铜厚极差为6.9um,板上部镀铜过厚已得到有效的抑制。

 以上说明,对电镀缸体增加深入液面2Inch 的阳极挡板,对改善电镀缸上部的均匀性是合理的。

    6、浮槽改善:

 要提高距液面20-24Inch 区域铜厚,需对浮槽侧面进行适当开孔,以增加该区域电力线密度。

    6.1 浮槽开大孔:

 对浮槽侧面每边9 个区域进行开孔,开孔大小为100×50(mm2)的方形孔,如下图4 所示: 

    

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    图6 浮槽侧面每间隔15mm 钻一个5mm 的圆孔

  测试总体COV 为15.9%,深方向镀铜平均差异为7.4um,如图5 所示。这说明对浮槽的侧面开孔过大,导致从浮槽侧面透过电力线过多,电镀过厚。

    6.2 浮槽开圆孔:

 对浮槽侧面9 个区域进行开孔:每个区钻5 排孔,间隔为15mm,直径5mm。如图6 所示:

 测试其总体COV 为13.4%,深方向平均铜厚差异为3.6um,如下图7 所示。说明还得想办法使得最底部的电力线分布再稀疏些。 

    

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    图7 浮槽侧面开5mm 圆孔后测试的铜厚分布图

    6.3 浮槽圆孔优化:

 对浮槽侧面区域:钻四排孔,第一排为直径10mm,其余三排直径为5mm,孔中心间距都为15mm。

 改造后测试总体COV 为10.3%,深方向镀铜厚度平均差异为2.6um,已小于3um 目标,如图9 所示:板子最底部的铜厚分布差异有所减小,达到改造预期要求。

    图8 浮槽侧面圆孔优化改造示意图 

    

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    7、改造后总体测试效果:

 结合5.2 和6.3 的改造结论,对其余7 个电镀缸进行了全面改造—-在每个缸体上增加了阳极挡板,对每个缸浮槽进行开孔改造。改造后我们随即抽取15#电镀缸进行测试,以便确认改造效果。 

    

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    图9 浮槽侧面圆孔优化后www.pcblover.com正面深方向铜厚分布图

    图10 全面改造后15#缸正面深方向铜厚分布图

 深方向镀铜厚度差异为2.8um,整板COV为7.9%,与在12# 缸测试的结果比较接近,符合改造目标要求,如图10 所示。

    8、结束语:

 历经多次电镀均匀性的测试和设备改造,该图形电镀线的电镀均匀性从原来的20.8%,提高到了改善后的10.3%。深方向平均铜厚的差异也由原来的8.9um 降低到小于3um。目前间距为3.5mil板加工时,夹膜以及铜厚问题基本得到改善。

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