劉德林 黃偉明（惠州中京電子科技股份有限公司，廣東 惠州 516008）

用赫爾槽實(shí)驗(yàn)分析PCB電鍍銅電解液光澤劑

劉德林 黃偉明
（惠州中京電子科技股份有限公司，廣東 惠州 516008）

文章通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，用赫爾槽實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了PCB電鍍銅溶液中主要成分產(chǎn)生的影響，找出一些看槽片的規(guī)律。一方面為初入門(mén)技術(shù)人員深入了解赫爾槽實(shí)驗(yàn)提供了學(xué)習(xí)的資料，另一方面也為同行展示了一份電鍍銅電解液性能特性較詳細(xì)的第一手?jǐn)?shù)據(jù)信息。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；赫爾槽實(shí)驗(yàn)；檢驗(yàn)；影響因素；光澤劑含量；分析方法

1 前言

在PCB生產(chǎn)中電鍍銅工序普遍是硫酸（H2SO4）和硫酸銅（CuSO4）電解液體系，通過(guò)一些有機(jī)添加劑和微量氯離子（Cl-）作用達(dá)到光亮鍍銅的效果，而陽(yáng)極使用磷銅（含磷P一般在0.035%～0.075%之間）。體系中用滴定分析法補(bǔ)加硫酸（H2SO4）、硫酸銅（CuSO4·5H2O）和氯離子（Cl-），通過(guò)表面張力測(cè)試添加少量濕潤(rùn)劑，按電流時(shí)間累積進(jìn)行光澤劑定量添加。受光澤劑自動(dòng)添加設(shè)備能力的影響，光澤劑含量有時(shí)出現(xiàn)較大偏差。

體系中光澤劑的含量關(guān)鍵地影響著鍍層的外觀和性能，含量太低鍍層不光亮，易出現(xiàn)燒板現(xiàn)象，鍍層晶粒粗糙且延展性差。含量過(guò)高則會(huì)因光澤劑副產(chǎn)物過(guò)多而造成深鍍能力下降，鍍層硬度增加，變脆和延展性下降，可靠性降低。行業(yè)上不少因?yàn)殄儗涌煽啃圆顭釠_擊發(fā)生導(dǎo)體斷裂而導(dǎo)致重大損失的事例。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）的方法進(jìn)行赫爾槽實(shí)驗(yàn)，對(duì)電鍍銅體系多方面影響的檢驗(yàn)，檢討出一套識(shí)別赫爾槽片的方法，為業(yè)內(nèi)提供一手資料。

2 實(shí)驗(yàn)原理

赫爾槽（HULL CELL) ，又名霍爾槽，哈氏槽等，根據(jù)所裝的容積可分為，267 ml、500 ml、1000 ml三種，最常用的是267 ml，常被用于研究電鍍?nèi)芤褐兄饕M分和添加劑的相互影響，幫助分析電鍍?nèi)芤寒a(chǎn)生故障的原因。此外赫爾槽實(shí)驗(yàn)還可以測(cè)定電鍍?nèi)芤旱姆稚⒛芰?、整平能力以及鍍層的?nèi)應(yīng)力。赫爾槽試驗(yàn)在電鍍實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)質(zhì)量控制方面得到了廣泛的應(yīng)用，是PCB電鍍工序中重要的分析工具。

2.1 赫爾槽實(shí)驗(yàn)組成

赫爾槽實(shí)驗(yàn)的組成分別有：直流電源（整流器，圖1）、赫爾槽（圖2）、鼓風(fēng)機(jī)、陽(yáng)極（磷銅）、槽片（黃銅片）、電解液（H2SO4/CuSO4）等。

圖1

圖2

2.2 赫爾槽結(jié)構(gòu)原理

在赫爾槽實(shí)驗(yàn)中，整流器、陽(yáng)極、電解液和陰極槽片串聯(lián)成簡(jiǎn)單電路（圖3），由于到陽(yáng)極陰極槽片各個(gè)部位的距離不一樣，槽片各部分電流密度分布不同，在距離陽(yáng)極近端的陰極部分的電流密度高，依次往遠(yuǎn)端越來(lái)越低。

圖3

有研究者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)總結(jié)出陰極片上各部位到陰極近端距離與電流密度之間關(guān)系的平均曲線(xiàn)（見(jiàn)圖4）。 其中陰極近端與遠(yuǎn)端的電流密度相差50多倍，因此在槽片上可以觀察不同電流密度下的鍍層狀況。

圖4 陽(yáng)極上各點(diǎn)距近端距離與電流密度的關(guān)系

2.3 赫爾槽片區(qū)域定義

電鍍銅赫爾槽實(shí)驗(yàn)常用黃銅片，規(guī)格為長(zhǎng)方形（100 mm×65 mm）。實(shí)驗(yàn)過(guò)后槽片上可分幾個(gè)區(qū)域，正面近陽(yáng)極一端為高電流區(qū)，遠(yuǎn)端為低電流區(qū)，而遠(yuǎn)端和近端的中間區(qū)域?yàn)楣饬羺^(qū)，槽片上還顯示了液位線(xiàn)，見(jiàn)圖5。目前槽片背面并未得到廣泛注意，但是通過(guò)槽片背面能得出部分信息。為方便敘述本文對(duì)槽片背面作了些定義，見(jiàn)圖6。

槽片背面可分為近端、遠(yuǎn)端、液位線(xiàn)，還有鍍層與無(wú)鍍層交界的走位線(xiàn)。由于槽片背面電流路線(xiàn)苛刻，背面一定程度上反饋了電解液的分散性和深鍍能力。液位線(xiàn)與走位線(xiàn)形成無(wú)鍍層區(qū)面積越小，則深鍍能力越好，反之越差。

圖5

圖6

2.4 光澤劑

光澤劑是光亮鍍銅的關(guān)鍵因素，加速銅沉積速率，減少極化電阻，提高鍍層延展性與導(dǎo)電性。光澤劑常為含硫的小分子化合物，它可以降低銅離子活化能，大都具有相異分子、低分子量、高極性等特性，解離后形成不溶于水的CuS微粒，CuS微粒易被銅表面吸附，為鍍層沉積不斷地提供新核，控制了“晶核生成速度”使鍍層結(jié)晶細(xì)致并排列緊密。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

使用267ml赫爾槽進(jìn)行鍍銅電解液實(shí)驗(yàn)，陽(yáng)極（Cu ≥99.9%，P=0.040%～0.065%），陰極為黃銅片，電流設(shè)定為2 A，時(shí)間為5 min。為減少干擾，每次打片前對(duì)陽(yáng)極磷銅用砂紙進(jìn)行打磨并用微蝕液浸泡半分鐘。

3.1 實(shí)驗(yàn)1

不添加光澤劑，分兩組實(shí)驗(yàn)確認(rèn)電解液硫酸和硫酸銅兩組分對(duì)鍍層的影響。 見(jiàn)表1。

（1）第一組實(shí)驗(yàn)，H2SO4濃度保持180 g/L不變，過(guò)程中分步提升CuSO4·5H2O含量（從10 g/L開(kāi)始，每次提升含量20 g/L）。實(shí)驗(yàn)表明，過(guò)程中分步提升CuSO4·5H2O含量，有以下表現(xiàn)：

①槽片正面在CuSO4·5H2O濃度提升過(guò)程中，近端高電流區(qū)燒焦逐漸減小，到90 g/L時(shí)接近消失；

②槽片背面在CuSO4·5H2O濃度提升過(guò)程中，液位線(xiàn)與走位線(xiàn)形成無(wú)鍍層區(qū)面積越來(lái)越大；

③整流器電壓隨CuSO4·5H2O濃度提升過(guò)程中逐漸減?。?/p>

（2）第二組實(shí)驗(yàn)，不添加光澤劑，CuSO4·5H2O含量保持80 g/L不變，過(guò)程中分步H2SO4濃度提升（從50 g/L開(kāi)始，每次提升50 g/L）。實(shí)驗(yàn)表明，在無(wú)光澤劑下，CuSO4·5H2O含量不變，過(guò)程中分步H2SO4濃度提升，有以下表現(xiàn)：

①槽片正面在H2SO4濃度從50 g/L被提升到100 g/L以上后近端高電流區(qū)燒焦接近消失，低電流區(qū)邊緣階梯狀漏鍍消失；

②當(dāng)H2SO4濃度上升到250g/L時(shí)近端高電流區(qū)燒焦隱現(xiàn)；

③槽片背面在CuSO4·5H2O濃度提升過(guò)程中，液位線(xiàn)與走位線(xiàn)形成無(wú)鍍層區(qū)面積越來(lái)越??；

④整流器電壓隨H2SO4濃度提升過(guò)程中，逐漸減小。

（3）實(shí)驗(yàn)1小結(jié)

①電解液中Cu2+濃度提升，有助于減少燒焦，使可操作電流密度寬度變寬，更容易得到光亮鍍層；

②隨著Cu2+濃度提升，導(dǎo)電性能改善，整體電阻減小，但電解液深鍍能力相應(yīng)下降；

③電解液中H2SO4濃度提高，導(dǎo)電性能改善，整體電阻減小，可操作電流密度寬度變寬，更容易得到光亮鍍層，但當(dāng)H2SO4濃度提高到一定值后燒焦顯現(xiàn)，可操作電流密度寬度回縮變窄；

④隨著H2SO4濃度提升，電解液深鍍能力相應(yīng)提高。

表1

3.2 實(shí)驗(yàn)2

分三組實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)光澤劑在電解液對(duì)鍍層的影響。見(jiàn)表2。

（1）第一組實(shí)驗(yàn)，H2SO4（200 g/L）和CuSO4· 5H2O（30 g/L），電解液中光澤劑含量從無(wú)逐步被提升。實(shí)驗(yàn)表明，逐步提高光澤劑含量（正常添加量約為1 ml/267 ml），有以下表現(xiàn)：

①光澤劑含量從無(wú)逐步被提升，槽片高電流區(qū)燒焦略有減少，但對(duì)燒焦沒(méi)有較大改善；

②添加光澤劑后槽片燒焦與光亮界線(xiàn)附近霧狀消失，隨光澤劑增加遠(yuǎn)端低電流區(qū)霧狀物逐漸增大；

③隨光澤劑含量提升，槽片背面液位線(xiàn)與走位線(xiàn)形成無(wú)鍍層區(qū)面積有個(gè)縮小的過(guò)程，但光澤劑過(guò)量后該面積又顯現(xiàn)逐步增大；

④隨光澤劑含量提升整流器電壓無(wú)明顯改變；

（2）第二組實(shí)驗(yàn)，H2SO4（200 g/L）和CuSO4·5H2O （60 g/L）濃度不變，電解液中光澤劑含量從無(wú)逐步被提升。實(shí)驗(yàn)表明，逐步提高光澤劑含量，觀察槽片現(xiàn)象與上一組相似。

表2

（3）第三組實(shí)驗(yàn)，H2SO4（200 g/L）和CuSO4·5H2O （90 g/L）濃度不變，電解液中光澤劑含量從無(wú)逐步被提升；實(shí)驗(yàn)表明，逐步提高光澤劑含量，觀察槽片現(xiàn)象與上兩種實(shí)驗(yàn)相似，不過(guò)由于該組實(shí)驗(yàn)槽片高電流區(qū)燒焦較少，光澤劑添加后立即消失，幾組實(shí)驗(yàn)相似現(xiàn)象體現(xiàn)了該實(shí)驗(yàn)良好的再現(xiàn)性。

（4）實(shí)驗(yàn)2小結(jié)

①光澤劑對(duì)槽片高電流區(qū)燒焦略有改善，它主要使鍍層結(jié)晶細(xì)致光亮，添加光澤劑后鍍層變得較有光澤；

②光澤劑添加量與電解液導(dǎo)電性能沒(méi)有明顯的聯(lián)系；

③添加光澤劑后槽片燒焦與光亮界線(xiàn)附近霧狀消失，并整快槽片變得較有光澤，隨光澤劑增加遠(yuǎn)端低電流區(qū)霧狀物逐漸增大，可以通過(guò)這兩個(gè)區(qū)域來(lái)判斷光澤劑是否足夠或過(guò)量（見(jiàn)圖7）；

④光澤劑對(duì)電解液深鍍能力有促進(jìn)作用，但含量過(guò)多時(shí)效果反而較差；

圖7

4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

（1）電解液中Cu2+濃度提升，有助于減少燒焦，使可操作電流密度寬度變大，更容易得到光亮鍍層，但電解液深鍍能力相應(yīng)下降；

（2）電解液中H2SO4濃度提高，電解液深鍍能力相應(yīng)提高，可操作電流密度寬度變寬，更容易得到光亮鍍層，但當(dāng)H2SO4濃度提高到一定值后燒焦顯現(xiàn)，可操作電流密度寬度回縮變窄；

（3）光澤劑對(duì)槽片高電流區(qū)燒焦略有改善，不過(guò)它主要使鍍層結(jié)晶細(xì)致光亮；

（4）看槽片判定光澤劑含量過(guò)程

①槽片燒焦與光亮界線(xiàn)附近無(wú)光澤時(shí)即為光澤劑不足；

②槽片燒焦與光亮界線(xiàn)附近光亮，且遠(yuǎn)端低電流區(qū)無(wú)明顯霧狀，則光澤劑含量合適；

③槽片燒焦與光亮界線(xiàn)附近光亮，且遠(yuǎn)端低電流區(qū)有明顯霧狀，則光澤劑過(guò)量。

[1]百度百科. 《DOE》

[2]百度百科. 《赫爾槽實(shí)驗(yàn)》.

[3]唐治宇.《電鍍銅技術(shù)》.

[4]安美特.《電鍍基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)》

[5]卓越化學(xué). 《卓越化學(xué)產(chǎn)品目錄》.

[6]羅門(mén)哈斯電子材料.《羅門(mén)哈斯電子材料電鍍工藝》.

[7]上海輕工學(xué)校電鍍教研組.《赫爾槽實(shí)驗(yàn)的原理與應(yīng)用》.

[8]白蓉生等. 臺(tái)灣電路板產(chǎn)業(yè)學(xué)院,《電路板濕制程全書(shū)修訂版》.

劉德林，副總經(jīng)理，從事PCB行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和工廠(chǎng)管理工作18年，勵(lì)精圖治為公司打開(kāi)新篇章奠定厚實(shí)基礎(chǔ)。

黃偉明，質(zhì)量專(zhuān)項(xiàng)研究員，從事PCB和FPC生產(chǎn)技術(shù)工作6年，著眼于用最經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單的方法給質(zhì)量和成本以最大限度的突破。

Brighter analysis method of PCB copper plating solution by hull cull experiment

LIU De-lin HUANG Wei-ming

Through design of experiment this subject inspected some impacts of the main ingredients in PCB copper platting solution, and learnt something from reading the Hull Cell card. This subject showed the freshman about plating that some materials, on the other hand this subject showed some persons in the same profession that the data about characteristics in detail of the copper plating solution.

Design of Experiments; Hull Cell Experiment; Inspect; Impacts of Factors; Brighter Concentration; Method of Analysis

TN41

A

1009-0096（2014）09-0021-04