电子工艺技术52EectroncsProcessTechnoogylil2020年月1第4卷第期11doi:10.14176/j.issn.l001347420200..1.014电镀锡添加剂的研究石新红(,张军,周华梅,上海美维科技有限公司上海201613)摘要:对硫酸亚锡体系酸性纯锡电镀添加剂进行了研究,,采用hu槽ll:、SEM、人工加速腐蚀等方法测定,镀液的性能及镀层的质量高的TP值,得到该体系适宜的工艺参数m|。测试结果显示TP110电镀锡的结晶致密。具有比较,当锡电镀厚度为5x,时,,Xf通盲孔有比较好的覆盖能力和保护能力。该工艺具有污染小成分简单易于控制关键词溶液稳定性好等优点电镀锡:;有望应用于线路板酸性电镀锡工艺;:添加剂;SEM半光亮A中图分类号TN6文献标识码:文章编号:1001-3474(2020)01-0052-05StudyonAdditivesforTnPilatnigSHIXinhong,ZHANGJun,ZHOUHuamei(ShanghaiMeadvilleScenceandTechnoogoyCil.,Ltd.,Shanghai201613,Chnai)Abstractche:Anewtnpatngaddiliitivesstudiied.ItisusedforcopperprotectonduiringSESprocessThe.mgicalpropertyandthequalityofthepatedayellristestedbymeansofhullcell,SEMandacce.leratedagthin.TheperformanceandreliabilitrnfyaevestgatedoiirbothblindvaandthiroughhoelTheresultsshowatthssystemhastheadvantagesofhghTPvaiilueandcompacttexturei.Itcanprotecttheblindvaandithroughhoewelllwhilethesurfacetinthicknesss5i\\m.Ailso,tcanghreabreatysavethecostoftnanodewliiththinnertinalyer.Atthesametime,thischemicaasohashllgliilityandeachcomponentofithechemicalcanbemeasuredeasliy.Sotcanbecontriolledaccurately.Itisexpectedtobeusednprintedcircuitboardindustrywithlittleponllutonandigoodsoutonstabliility.KeyWords:tiplatng;iadditive1;SEM-;sem-ibrghtiDocumentCode:AArticeIlD:0013474(2020)01-005205-印刷电路板(PCB)是电子产品的关键性互连件”,宽,操作温度低等优点,,应用最为广泛[4]。由于锡电,被称为“电子系统产品之母、[1]。为了避免PCB上图,沉积过电位很小阴极还原交换电流很大且电流效率低电极反形在蚀刻过程中出现缺口断线而导致报废通常[应速度过快,在酸性溶液中只能得到粗糙,、树枝状先在图形上镀锡铅禁止用铅盐目。,完成图形制作后再将其去除,2]。或针状的沉积层。在光亮酸性镀锡由于氟和铅都会污染环境。美、日、欧等国已明令液中加入含羰基和乙烯基的添加剂可以获得光亮细致的锡镀层。前,国内大部分厂家均采用电镀纯锡3本研究添加OP等光亮镀锡添加剂,,对定来取代锡铅、电镀纯锡根据镀液主成分不同有硫酸[]其贯孔性能以及可靠性进行研究通过优选工作条,氟硼酸和甲基磺酸3种体系,,其中,,硫酸盐体件,获得了结晶细致。、光滑平整的镀层具有一系的工艺具有析氢少作者简介石新红。沉积速度快女硕士电流密度范围工程师的实用性:(1982),-,毕业于上海大学,,高级业务主管,主要从事印制娜板制造工艺板药水的研究开发工作第4卷第期11石新红,等:电镀锡添加剂的研究531性能测试结果目前采用硫酸亚锡体系的电镀参数基本为21.5A/an,电镀时间为9 ̄10min,锡层的厚度平均在7 ̄8xm目(,这也是前印制线路板行业内比较普遍的电镀条件。在测试中发现,由于TP110体系的通孔TP值较高,且孔内的致密性较好,因此,考虑可以适当降低镀层的厚度,将锡层厚度由7x(m降低为5x|m,在此基础上对可靠性以及良率进行了测试。结果显示,5pm锡厚对通盲孔以及孤立线和盘有很好的保护性能。其小批量测试板的良率与生产线现有药水的7x|m锡厚的结果相当。在完成1L小槽以及280L槽测试的基础上,继续研究TP110药水在1400L中试线的性能,并与现有生产线药水进行对比,对批量板的良率和可靠性进一步测试,综合评价其保护性能和可靠性。1.1TP110药液的参数范围根据实验室1L小槽和280Uf*的测试结果,得到化学药液的初步使用范围,在1400L中试线测试过程中,对药液各组分进行监控并完善。结果显示,表1中TP110药液控制完全符合生产使用要求。在此范围内,药液的性能及镀层的质量均满足生产要求,电镀锡结晶致密性高,且具有高的通孔贯孔能力(ThrowingPwoer,TP)〇从表1中不难发现,该体系具有较宽的操作范围,并且添加剂1101和1102可以分别采用循环伏安剥离法(CVS)和滴定法进行精确测试,为槽液的维护提供了有力的支撑。表1#?疏围参数参数范围推荐值1SnS0?-4浓度p45/(gL)35401190-110100药液2504体积分数?>/101(x%)添加剂组成1101体积分数p/(1X10%)40-6050添加剂0112体积分数贫/(X101%)8 ̄20144C》体积分数?/(x1CT%)40-8060温度0/t19-2422电流密度J2/A?crrr0.8-1.51.21.2电镀表观及其结晶形貌表2给出在不同电流密度下表面结晶的扫描电子显微(SEM)图,电流密度分别为0.5A2/on、l.OA2/on、21.5A/cm和22.0A/cm,其余参数均为中值。镀层表面均匀一致,无烧焦,无色差。表面形貌结果显示在不同电流密度下,镀层均非常致密,无针孔以及漏镀等现象。随着电流密度的增加,其结晶颗粒有所减小。电结晶过程可分为5两个阶段6[]:1)离子从电解液中输送到电极表面并放电2;)原子进入晶格和晶体的生长。电结晶过程的复杂性既与晶体表面的不均匀性有关,又与形成新相有关。电结晶过程中,晶核形成与晶体长大是平行的,只有晶核形成速度大于晶体长大速度,结晶才有可能细化。决定晶核形成速度的主要因素是过电位,凡是影响过电位的因素都对电结晶质量有影响。因此,当随着电流密度的增加,其成核速度大于生长速度,从而高电流密度的电镀层晶粒更加细致。表2不同电流密度所得锡面的SEN?1.3盲孔测试结果盲孔电镀体系中,由于电镀液只能单侧进行交换,交换效率较差,因而对溶液的组分的润湿性能提出7了很高的要求[]。图1是TP110和某知名公司添加剂A的对比2,TP110(电流密度为1.2A/cm,其他各种参数均采用中值,盲孔孔径为101.6pm,介厚为60pm)所制备的盲孔具有和A添加剂几乎一致的孔形结构,盲孔TP值大于90%,完全满足盲孔TP要求。由此表明TP110体系中的添加剂具有很好的扩散性,从而获得优良盲孔性能。(aTP110)(b)A图1盲孔切片1.4通孔测试结果通孔的贯孔能力是通孔的关键性能指标。影响通孔贯孔能力的因素包括交换、硫酸的浓度、添加剂体系、电流方式等。就添加剂而言,抑制剂在表面的抑制能力是影响TP值的关键。通常,采用六点法表征通孔贯孔能力,其取样如图2所示TP,值为x(c+d)2/(a+6+e+fx)1〇〇%。abriicd图2通孔示意图电子工艺技术54EectroncsProcessTechnoogylil2020年月1镀锡电流密度为采用中值.1.1A/cm2,其他各种参数均.1.6mm,孔径为0,.20mm时,其TP值平均为86%I,。板厚为.1.6mm,孔径分别为0。20mm、最小值为74%要;完全满足普通HD板的贯孔能力需,025mm、030mm,如图3所本表3给出不同厚径。在孔较大时1其贯孔能力有明显提升1〇〇,当孔径.比,采用六点法所得到的通孔贯孔能力板厚mm在板厚为s/1^03〇11111|?^,其贯孔^4可达e/nm99%;在^¥为2〇)111111,表3通孔TP比较f/孔径D/mm02m.mb/umc/.mmd/um942,/um8TP88TPave2321942182171.1891%%%86015996063.25783..42937.749693859%111208.087.990955.953.1232,118411.11947966.1032.%%%%%%1TP110(1400L)1.6025.1066794.7497.73981380590%1053.11.59966845.6591191114895111.821229.12.5911.95040891080.3011108912.191233.111256.1060506%991231.1076.11.36895109811038103.8666.725.1062.82870%8710141062.942792.11.11821%966.897.74366910.1486675%73%89TP110668501.490.465707.729.(1400L)2.00.2077664.5.146146898970874.%%%96.1942.679.694099.17741081.1053.7.06776901.94275%72%849661003.728.652.911957.700.706.7.72434797.676%%%%%69724.705.623.452.791.773.72%6683744.803.507.507.841708.市售生产线(579.7.18507.508.579.557.)2.0020.724.691.483.43.15.436.117167%764.578.436.432594652.831.707.362.34171.17785.46%61652.680.458.4580.14681%。20S,如此循环。测试板采用专用的通孔测试图形,通过测试前后的电阻率变化判断是否符合要求一般而言过±.,在经过前述条件处理后为符合要求2,电阻率变化不超10%。2热油测试板的电流密度分别为、05A/cm、1.1A/cm1.6A/cm2,其他各种参数均,采用中值图3部分通孔切片?f/1.,热油测试规范如前文描述。测试不同厚一6mm,孔g/020mm).径比和不同电流密度下的可靠性,目,前业内般测11孔径为0.20mm时,其平均贯孔能力为77%。,试30个循环本文中选择50个循环产品具有良好的保护性能泡或分层23.结果表明TP0厚径比显改善22,现有产品A的TP值为69%TP11相同的0较A有明,所有结果均符合要求,。从50个循环后的切片结果看。孔形完好,铜层无起。可靠性测试结果.馳流测试耐电流测试选用的为041947的孔链测试板m,,盲孔1浸锡试验将??1.孔径为6mm,101.6pm.,介厚为70时间为1ju(选择的耐电流测。孔径020mm.、0.25mm、2030mm.试的电流为2533A,0s,测试结果合格的测试板在不同电流密度01..5A/cmSES、1.1A/cm2、6A/cm2下经过TP110镀锡1、蚀刻后进行浸锡)保护性能测试.(浸锡的条件为288的要求,尤,0s,浸锡6次测试。。根据1良率测试IPC采用电阻变化率来进行表征,从结果可,外层图形AO再进行SES蚀刻OpticalII测试板、,选取生产板外层图形(,知,在浸锡前后其表面无起泡1,无分层所有通在电镀试验线进行镀铜,镀锡自锡层厚度5pm()、道的电阻变化率均小于22.0%,满足生产要求。表4是,动光学检查。Automated热油测试热油测试的条件为:nspectionAOI)数据。通常与镀锡相关的缺260t停留20201停留s,陷有断线、缺口或者露基材从图4断线与缺口的放第4啳第期1石新红,等电镀锡添加剂的研究55表4外层A〇傲据统计批次板号数量正反面断路缺口第批X1一/86xxx4Y//第二批X/186xxx4Y/7断线缺口图4部分缺陷照片大缺陷来看,缺陷位置边缘光滑,无锻锡不良引起的明显的过渡区。3.2好撕0丨良較电测试外层图形选取两款生产板,如图5所示,在电镀试验线进行镀铜和镀锡。电镀铜使用108药水,电镀铜参数为21.1A/cm,58min;电镀锡使用TP110药水参数为2,电镀锡1.1A/cm,10min(生产线为1.5A2/cm,9min)〇其余工艺流程職照生产要求进行控制,在AOI以及电测试跟进。表5为两个批次生产板在AOI以及电测试的报废详情,从结果来看,上述两个批次的生产板均无镀锡相关的报废,保护性能应与目前生产使用的市售药水相当。表5夕卜层AO傲据统计批次板号数量/片过程偏位孔底铜破划伤A0///67xxx2电测试///A0121244xxx8电测试//1第批次第二批次图5不同批次生产板在PCB加工过程中,镀锡虽然只是加工的中间环节,但镀锡工艺对孔铜完整性起到关键作用。在降低锡厚的情况下,镀层的保护性能尤为重要。通孔内部属于电流密度较小的区域,在电镀过程中容易出现低电流。本测试的板厚0.8irnn,孔径为0.15mm,其通孔的TP值为100%。观察其表观及孔中间位置的锡镀层的结晶状况。从图6的SEM照片可看出,板面及通孔中间的锡层结晶致密,无漏镀以及针孔等现象,具有较好的保护性。4稳定性测试表6给出TP110药水在试验线上测试过程中的表残铜短路凸起露基材铜粒划伤1//2/2/1241/13/2///8221/切片表面Sn孔内中部Sn图6通孔照片面形貌以及通孔的TP值,通孔的孔径为0.20mm,板厚l_6mm,电流密度为2l.lA/cm。结果显示,TP110药水在使用过程中,药水经过100Ah/L后,仍然具备良好的通孔电镀能力,表明TP110药水具有良好的长期稳定性,可以为生产提供长期可靠的电镀性能。表6不同时间的表观及TPt结果第00Ah1周第10周第20周第/24周12(80L)扫描电镜SEM平均灌孔5.70%9170%8760%9能力8130%91.5%5小结1)线路板适用的镀锡添加剂TP110盲孔TP值大于90%,10:1的通孔板TP值为77%,具有很好的通盲孔TP值。2)镀层结晶致密均匀,在SES过程中,当锡厚为5pm的条件下,能够很好地保护通盲孔以及孤立线和盘等,具有较好的保护性能。3)可靠性测试及良率测试结果显示,该电镀锡药水具有较高的可靠性能,与现有Axx药水相当,且该体系电镀锡厚仅需5pm较原有的7j,lhi,j可以大幅节约锡球成本。4)根据试验线5个多月的使用,该药水在不同使用时间内,其表观及TP值均比较一致,可以为生产提供长期可靠的电镀性能。更长时期的稳定性以及溶液的消耗量仍需要进一步的测试。参考文献[1]吴华强陈华茂.多功能硫酸盐镀锡添加剂的研制.,[J]电镀与涂饰.,2000⑶:21-22[2]ChenYHWl,anigYYWanCC.M,crostructuracharacteristicsofimmersiontincoatingsoncoppercircuitriesincircuitboards[J].SurfaceandCoatingsTechnology,2007202(3)417-:4,24.[3]KimKS,HamW0,HanSW.WhiskergrowthonsurfacetreatmentintheuretinplatinJournalofElectronicMatep[J].iralsg,电子工艺技术56EectroncsProcessTechnoogy2020lil年月1200534,(12):1579-1585.饰i2009,⑶:4448[4]GarcaGMPerezHVGarci,,aJA,etal.Electrochemicalrecovery[6]罗威张学军硫酸盐型亚光纯锡电镀工艺在PCB上的应用.,[J]?孔oftinfromtheactivatingsolutionsoftheelectrolessplatingof化与电镀[,2004(6)31:-32.polymersgalvanostaticoperation[J].SeparationandPurification7]付海涛石新红陈祝华孔径和内层铜面处理方式对电镀盲孔可.,,Techno5]logy,200652,():143-149.靠性影响[[J].电子工艺技术,20191():35-38.[袁诗璞影响镀层厚度分布均勻性的因素.J].电镀与涂(收稿日期:2019-10-31)OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOCXXXXXXXXxOOOOOOOOOOOOOCXXXXXXxOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOCXXXXXXxOOOOOOOOOOOOO(上接第4页)T15?度,从仿真结果可见,随着梯形上、下边比例的变化,、和心参数都产生变化在0 ̄5:GHz频带范围内,心参数产生了0.05dB内的变化,数产生了0.50dB内的变化;5GHz以上S2.,1参数产生了010dB内的变化,心数产生了1.00dB内的变化。随着频率升高,变化逐渐明显。总体而言,金属横截面的变化带来的影响相对较小。在最初传输线设计仿真中,介质材料的电参数一(相对介电常数Dk和损耗角正切Df)设置是个固定值(常数),而有机介质材料的电参数实际上是随着频率变化的,使用DjordjevicSarkar模型将介质材料的电参数调整为频变的参数,介质材料电参数频变后,从仿真结里可以看出,心和心曲线都略变差:在5GHz内,曲线基本是重合的,5GHz以上产生了0.01dB左右的变化,且频率越高产生的变化越明显。总体而言,在当前〇 ̄12.5GHz频带范围内,介质材料电参数频变产生的影响较小。4结论面对系统集成中对高频高速硅基板的强烈需求,设计和制备了分别在硅基板表层和内层的单端传输线结构,共用同一参考地平面。设计仿真结果和测试结果的对比表明,虽然曲线吻合较好,但S21曲线差异明显,测试结果严重恶化。通过对工艺结构误差、介质介电性能,金属粗糖度等引入的传输损耗进行了分析和仿真验证,得出精确控制P琨厚度等工艺结构参数,使传输线实际结构更接近设计值,是减小设计和实测偏差,保证高速传输线性能最有效的途径。参考文献[1]逄健刘佳?摩尔定律发展述评[1515:4650.,J]?科技管理研究,20()2[]InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors2003edition.etti[Z]SmiconducorIndustryAssociaonReport,SematecInc.,2003[3]AssemblyandPackanngigTechnicalWorkigGrou.henextStepTpinAssemblyandPacka:evelIntentheageSystemLgrationipackgeSiP()Z.SiPWer[]hitePapV902009..,4.[]吕植成基于硅基板的大功率LED封装研究[D.]武汉:华中科技大学2013.,(收稿日期:2019-09-21)