用赫爾槽實驗分析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）

用赫爾槽實驗分析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）

文章通過實驗設(shè)計方法，用赫爾槽實驗檢驗了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。一方面為初入門技術(shù)人員深入了解赫爾槽實驗提供了學(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的第一手數(shù)據(jù)信息。

實驗設(shè)計；赫爾槽實驗；檢驗；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，通過一些有機添加劑和微量氯離子（Cl-）作用達到光亮鍍銅的效果，而陽極使用磷銅（含磷P一般在0.035%～0.075%之間）。體系中用滴定分析法補加硫酸（H2SO4）、硫酸銅（CuSO4·5H2O）和氯離子（Cl-），通過表面張力測試添加少量濕潤劑，按電流時間累積進行光澤劑定量添加。受光澤劑自動添加設(shè)備能力的影響，光澤劑含量有時出現(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。含量過高則會因光澤劑副產(chǎn)物過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)上不少因為鍍層可靠性差熱沖擊發(fā)生導(dǎo)體斷裂而導(dǎo)致重大損失的事例。

本文通過實驗設(shè)計（DOE）的方法進行赫爾槽實驗，對電鍍銅體系多方面影響的檢驗，檢討出一套識別赫爾槽片的方法，為業(yè)內(nèi)提供一手資料。

2 實驗原理

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。此外赫爾槽實驗還可以測定電鍍?nèi)芤旱姆稚⒛芰?、整平能力以及鍍層的?nèi)應(yīng)力。赫爾槽試驗在電鍍實驗研究和現(xiàn)場生產(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 赫爾槽實驗組成

赫爾槽實驗的組成分別有：直流電源（整流器，圖1）、赫爾槽（圖2）、鼓風(fēng)機、陽極（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

在赫爾槽實驗中，整流器、陽極、電解液和陰極槽片串聯(lián)成簡單電路（圖3），由于到陽極陰極槽片各個部位的距離不一樣，槽片各部分電流密度分布不同，在距離陽極近端的陰極部分的電流密度高，依次往遠端越來越低。

圖3

有研究者經(jīng)過長期實驗總結(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（見圖4）。 其中陰極近端與遠端的電流密度相差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 陽極上各點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

電鍍銅赫爾槽實驗常用黃銅片，規(guī)格為長方形（100 mm×65 mm）。實驗過后槽片上可分幾個區(qū)域，正面近陽極一端為高電流區(qū)，遠端為低電流區(qū)，而遠端和近端的中間區(qū)域為光亮區(qū)，槽片上還顯示了液位線，見圖5。目前槽片背面并未得到廣泛注意，但是通過槽片背面能得出部分信息。為方便敘述本文對槽片背面作了些定義，見圖6。

槽片背面可分為近端、遠端、液位線，還有鍍層與無鍍層交界的走位線。由于槽片背面電流路線苛刻，背面一定程度上反饋了電解液的分散性和深鍍能力。液位線與走位線形成無鍍層區(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)晶細致并排列緊密。

3 實驗內(nèi)容

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

3.1 實驗1

不添加光澤劑，分兩組實驗確認電解液硫酸和硫酸銅兩組分對鍍層的影響。 見表1。

（1）第一組實驗，H2SO4濃度保持180 g/L不變，過程中分步提升CuSO4·5H2O含量（從10 g/L開始，每次提升含量20 g/L）。實驗表明，過程中分步提升CuSO4·5H2O含量，有以下表現(xiàn)：

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

②槽片背面在CuSO4·5H2O濃度提升過程中，液位線與走位線形成無鍍層區(qū)面積越來越大；

③整流器電壓隨CuSO4·5H2O濃度提升過程中逐漸減??；

（2）第二組實驗，不添加光澤劑，CuSO4·5H2O含量保持80 g/L不變，過程中分步H2SO4濃度提升（從50 g/L開始，每次提升50 g/L）。實驗表明，在無光澤劑下，CuSO4·5H2O含量不變，過程中分步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H2SO4濃度上升到250g/L時近端高電流區(qū)燒焦隱現(xiàn)；

③槽片背面在CuSO4·5H2O濃度提升過程中，液位線與走位線形成無鍍層區(qū)面積越來越小；

④整流器電壓隨H2SO4濃度提升過程中，逐漸減小。

（3）實驗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 實驗2

分三組實驗，確認光澤劑在電解液對鍍層的影響。見表2。

（1）第一組實驗，H2SO4（200 g/L）和CuSO4· 5H2O（30 g/L），電解液中光澤劑含量從無逐步被提升。實驗表明，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光澤劑含量從無逐步被提升，槽片高電流區(qū)燒焦略有減少，但對燒焦沒有較大改善；

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

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

④隨光澤劑含量提升整流器電壓無明顯改變；

（2）第二組實驗，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逐步被提升。實驗表明，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）第三組實驗，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逐步被提升；實驗表明，逐步提高光澤劑含量，觀察槽片現(xiàn)象與上兩種實驗相似，不過由于該組實驗槽片高電流區(qū)燒焦較少，光澤劑添加后立即消失，幾組實驗相似現(xiàn)象體現(xiàn)了該實驗良好的再現(xiàn)性。

（4）實驗2小結(jié)

①光澤劑對槽片高電流區(qū)燒焦略有改善，它主要使鍍層結(jié)晶細致光亮，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)電性能沒有明顯的聯(lián)系；

③添加光澤劑后槽片燒焦與光亮界線附近霧狀消失，并整快槽片變得較有光澤，隨光澤劑增加遠端低電流區(qū)霧狀物逐漸增大，可以通過這兩個區(qū)域來判斷光澤劑是否足夠或過量（見圖7）；

④光澤劑對電解液深鍍能力有促進作用，但含量過多時效果反而較差；

圖7

4 實驗總結(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）光澤劑對槽片高電流區(qū)燒焦略有改善，不過它主要使鍍層結(jié)晶細致光亮；

（4）看槽片判定光澤劑含量過程

①槽片燒焦與光亮界線附近無光澤時即為光澤劑不足；

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

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

[1]百度百科. 《DOE》

[2]百度百科. 《赫爾槽實驗》.

[3]唐治宇.《電鍍銅技術(shù)》.

[4]安美特.《電鍍基礎(chǔ)知識培訓(xùn)》

[5]卓越化學(xué). 《卓越化學(xué)產(chǎn)品目錄》.

[6]羅門哈斯電子材料.《羅門哈斯電子材料電鍍工藝》.

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

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

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

黃偉明，質(zhì)量專項研究員，從事PCB和FPC生產(chǎn)技術(shù)工作6年，著眼于用最經(jīng)濟簡單的方法給質(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