电镀基础知识培训教材

上海新阳ShanghaiSinyangConfidentialPage1of212004/03/20客户培训教材之电镀基础知识培训编辑：上海新阳电子化学有限公司编制日期：2004-03-20修正日期：2007-01-25版本:第二版状态：机密上海新阳ShanghaiSinyangConfidentialPage2of212004/03/20目录1.什么叫电镀2.电镀电路和电极反应3.以电镀锡为例用电镀电路解释电镀过程4.电流效率5.络合物的配位理论和添加剂的表面吸附理论应用6.微电子电镀技术的特点7.电镀过程三部曲和电镀工序功能8.去除塑封体溢料工艺流程9.电镀工艺流程10.电镀线的技术管理11.生产线平时维护要点12.赫尔槽试验和赫尔片说明13.对某些镀层弊病的描述及原因14.电功设计公式15.电镀重要参数的计算公式上海新阳ShanghaiSinyangConfidentialPage3of212004/03/20一、什么叫电镀1.模拟说法：把一种金属通过某种手段和方法包封到另一种金属表面上去的过程称为电镀。2.电镀的硬件说法：实现电镀过程必须有五个硬件，即（1）直流电源；（2）镀槽；（3）含电镀金属的离子的药水；（4）阳极（要电镀的金属）和阴极（加工的工件）；（5）导电棒、电缆、挂架等。把五种硬件组合成电镀电路。开通电源后就能把电镀金属包封到工件上（阴极上）去，称为电镀。3.电化学说法：以电化学氧化还原理论为基础把一种金属包封到另一种金属表面上去的过程称之为电镀。二、电镀电路和电极反应把电镀的五种硬件有机的组合连通起来就称为电镀电路。（见图）电镀电路①E—直流电源R—电流电压调制I--电流流动的方向e--电子流动的方向A—电流显示V—电压显示②镀槽③药水④阴阳极⑤连接导线、电排、电缆等电极反应：※阳极反应：nMneM（主反应）金属原子失去n个电子，氧化成正n价的金属离子。22244OOHeOH（副反应）水溶液中的羟基氧化成氧气。※阴极反应：MneMn（主反应）正n价金属离子得到n个电子后还原成金属，成为电镀层。222HeH（副反应）水溶液中的氢质子得到电子还原成氢气。在电镀过程中，以上四个反应同时发生。即阳极金属不断失去电子而氧化成为金属离子溶解在药水中（阳极金属的溶解）；同时阳极上有氧气析出。阴极（工件）表面金属离子不断得到电子而还原成金属，即成为电镀层；同时阴极上不断析出氢气。①②③⑤IeER④上海新阳ShanghaiSinyangConfidentialPage4of212004/03/20三、以电镀锡为例用电镀电路解释电镀过程在直流电源的作用下，电流通向阳极，阳极锡板（锡球）不断失去电子氧化成金属离子扩散到药水中（阳极的溶解过程），失去的电子在电源电势的驱动下，向电流反方向运动，通过直流电源富集到阴极上，锡离子在阴极上不断得到电子而还原成金属镀层。用电化学反应式表示如下：阳极：22SneSn（阳极的溶解过程）阴极：SneSn22（工件上析出镀层的过程）四、电流效率以上已经说明在阴—阳极电化学反应中，阳极上除了金属溶解消耗电流外，析出氧气也要消耗电流。阴极上除了金属镀层析出消耗电流外，析出氢气也要消耗电流。阳极电流效率：通过镀槽的总电流阳极溶解消耗的电流A×100%阴极电流效率：通过镀槽的总电流析出镀层消耗的电流K×100%例如：若通过镀槽的电流为100A，其中有90A用来析出镀层，有10A用来析出了氢气。则阴极的电流效率%9010090AAK若通过镀槽的电流为100A,其中有95A用来溶解金属，有5A用来析出了氧气。则阳极的电流效率%9510095AAA五、络合物的配位理论和添加剂的表面吸附理论应用电镀药水中不是有了金属离子，一通电就能在工件上析出合格的金属镀层的。而是要使阴极在一定的极化条件下，才能析出合格的镀层。那么什么是阴极的极化呢？金属离子在原始的药水中（没有络合剂和添加剂的药水）有一个析出电位，当阴极上加上这个析出电位值时，金属离子就接受电子还原析出金属镀层。但是析出的金属是没有规律的晶格，是疏松的镀层。通过加入络合剂或添加剂能使金属子还原析出镀层的电位向负方向移动的现象称之为阴极的极化现象。例如：原来析出金属镀层的电位为-1.2伏，加入了络合剂或添加剂以后使析出金属镀层的电位为-1.8伏。这说明阴极极化了，其极化的值为-（1.8-1.2）=-0.6伏。阴极极化了，使析出金属镀层相对困难了，需要消耗比原来较高的电能。在相对比较高的电场能下进行电析，也就是在电析时克服了一些阻力。克服了电析的困难，析出金属（金属离子得到电子还原的过程）的过程不那么容易了。这种阻力，这种阴极极化，给离子还原后的排列成整齐的晶格创造了必要的条件。使镀层变得细腻致密，而不是疏松。我们可以调整络合剂或添加剂的量，是阴极的到合适的极化值，直至镀得合格的镀层。那么络合剂和添加剂为什么会使阴极产生极化作用呢？※络合剂的配位理论金属离子在无络合剂的条件时在溶液中是很自由的，加入络合剂后，络合物能把中心金上海新阳ShanghaiSinyangConfidentialPage5of212004/03/20属离子以配位的方式束缚起来，使金属离子的放电行为变得不自由，增加了放电的困难，甚至改变了离子的电荷性质，由正离子转为负离子。例如：两个氰根“CN”与银离子“Ag”络合后，由正离子转为负离子，使它靠近阴极去放电（接受电子）变得比较困难。CNAgCNCNAg2又例：四个甲基磺酸与二价的锡离子络合后由正离子转为负离子，增加了放电的难度，即增加了阴极的极化。2333323333332||4SOCHSOCHSnSOCHSOCHSOCHSn络合物对中心金属离子的配位络合作用，降低了金属离子的有效浓度，控制了金属离子的活度，增加了阴极的极化，为镀层晶格的细化创造了条件，也就是说络合配位作用控制了金属离子的电化学行为，控制了反应速度和电结晶过程。※添加剂的表面吸附理论加入镀液的添加剂、表面活性剂一般是有机物。有机物有两个特性：（1）具有电阻（2）在工件表面有较大的吸附力。金属离子要到工件表面（阴极）去放电（接受电子还原），受到吸附在工件表面有机薄膜的阻挡（添加剂的阻挡）。原本可以还原析出的条件，因为有了有机膜的阻挡而不能还原。如果要使其还原（接受阴极的电子），就得增加阴极的电位，使阴极电位变得更负，也就是说有了添加剂的吸附作用，增加了阴极极化。如果我们把吸附在工件表面的有机膜当作成千上万只电容器（微观电容），金属离子要在阴极上放电（接受电子还原），就得冲破（击穿）这些微观电容器，要击穿电容器，必须增加电场能，必须使阴极电位变得更负，也就是说析出电位向负方向移动。上面说过，析出电位向负方向移动的现象，就是阴极极化了。如上所言，通过络合物配位的方法和加入添加剂的方法，虽然方法不同，理论也不同，但都能达到阴极极化的目的。既然用两种不同的理论和方法都能增加阴极极化，很自然的，我们经常把二者结合起来同时作用于某种镀液，使起到协同作用，增加阴极极化。所以常规的镀液有如下几种材料组成：1、主盐：含有被镀金属的盐，提供金属离子。2、络合剂：用于与金属离子络合配位，提高阴极极化。同时增加药水导电能力。3、添加剂（包括光亮剂）：吸附在工件表面提高阴极极化。有增加药水电阻的效应。4、润湿剂：使工件表面与镀液亲润（它常存在于添加剂中）。5、抗氧化剂：6、防止变价金属氧化（它常存在于添加剂中）。电镀工程重要的技术之一就是控制络合剂和添加剂的浓度。如果二者含量过多，阴极极化过大，会降低阴极电流效率，降低电析速度，增加析氢量，造成严重的针孔镀层。六、微电子电镀技术的特点1.微电子电镀的目的是功能电镀，为了提高可焊性，所以电镀的是可焊性金属镀层。如金、银、锡、锡铅合金、锡铜银合金、锡铈合金、锡铋合金等镀层。2.微电子器件一般是塑料封装体，为了减少电镀药水对微电子器件电性影响（酸、碱的侧蚀作用）。电镀药水宜采用性能比较柔和的烷基磺酸体系而尽量少用强酸体系，上海新阳ShanghaiSinyangConfidentialPage6of212004/03/20如硫酸和氟硼酸等。3.随着微电子技术的发展，微电子管的塑封体越来越小，微电子电极的引线越来越细，塑封体小至芝麻粒大，电极引线细至0.3mm左右，引线与引线之间的距离也不过0.3mm。在一个微电子框架上聚集着上千个管子，为了避免线间短路，对镀层的要求不宜太厚，尤其是镀层厚度误差精度的控制上高于五金电镀。要求控制±2微米。4.从微电子框架的基材特性说，镀前处理尤为重要。在用基材一般是铜基和铁镍合金（Ni42Fe）。Ni42Fe在焊片（D/B）、焊线（W/B）和塑封后固化的工序中极易氧化钝态。所以在电镀过程中去氧化工序成了工艺成败的核心问题。七、电镀过程三部曲和电镀工序功能1电镀前处理电镀前处理的目的是为了使工件表面彻底干净，为电镀作准备。彻底干净是指工件表面无溢料（残胶、毛刺）、无油污染、无氧化物、表面是活化的。表面活化是指金属表面的晶格暴露得很新鲜。以上的处理都是为了提高镀层与基材的结合力。2电镀：微电子器件锡铅合金电镀有四个基本技术指标。2.1镀层外观：必须是呈银白色、灰白色，色泽均匀一致，无水迹，框架无变形，塑封体乌亮，塑封体完整无缺角、无塌棱，无气孔等缺陷。2.2厚度控制纯锡镀层11±2微米厚度中心值的大小和厚度误差的适用性由塑封体大小和电极导线（管子引出线）规格所决定。一般说塑封体越小，引线越细，则镀层厚度和厚度误差精度的控制越严要求。2.3镀层结合力。通过各种结合力试验合格。2.4可焊性：通过浸锡试验合格。3镀后处理电镀后处理的目的是使产品清洁和干燥。用中和法除去镀层中的残酸，同时除去吸附在镀层表面的添加剂有机薄膜。因为锡是两性金属（溶于碱也溶于酸），故通过用碱中和也起到化学抛光作用。通过清洗（或加超声波清洗）和烘烤，得到清洁和干燥的电镀产品。由以上电镀过程三部曲的分析，电镀工序中去溢料（残胶、毛刺）、除油、去氧化、活化、电镀、中和、漂洗、干燥成为微电子电镀常规的八个功能工序。八、去除塑封体溢料工艺流程目前常用的有2种方法：1.浸泡后高压水喷淋去除溢料（两步工序）工件装料盒（挂上LOT牌）浸泡6~8%稀硫酸（室温浸泡15-20分钟，疏松溢料）三级逆流漂洗沥水浸泡SYD712（110±5℃，30-90分钟，视溢料严重程度而定）热水（60℃）三级逆流漂洗6~8%稀硫酸中和三级逆流漂洗吹去水珠高压水喷淋去除溢料飞边2.电解高压水喷淋去除溢料（一步工序）上料（Loading）电解去溢料水洗高压水喷淋吹干/烘干下料上海新阳ShanghaiSinyangConfidentialPage7of212004/03/20九、电镀工艺流程1.挂镀自动线上挂具化学/电解除油2~3级热自来水逆流漂洗去氧化2级自来水逆流漂洗2级纯水逆流漂洗活化电镀3级自来水逆流漂洗中和2级自来水逆流漂洗2级热纯水逆流漂洗（线内）吹干/烘干下挂具或（线外）甩干/烘干检验（线外）挂具退镀2.高速自动线上料电解去毛刺自来水洗去氧化自来水洗纯水洗预浸电镀水洗中和自来水洗纯水洗吹干/烘干下料钢带退镀水洗吹干/烘干上料十、电镀生产线的技术管理1挂镀自动线（手工线）的技术管理。1.1电镀药水的正向控制。每个班对电镀药水进行化学分析，主要分析主金属离子浓度（Sn2+:g/L），酸浓度（H+:g/L），通过分析及时调整。1.2用赫尔槽试验，对赫尔样片的分析，判断添加剂或光亮剂的量，及时调整添加剂或光亮剂。也可用表面张力环检查添加剂量。1.3用比重法或其他化学分析法，控制除油槽、去氧化槽、活化槽、中和槽的浓度。1.4控制或检查各槽位的温度，使符合规范。1.5控制除油槽、去氧化槽、活化槽、电镀槽、中和槽的液位高度。这五种功能槽液位应该一致，是