发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种更优良的电解铜箔表面处理时在粗化槽电镀液中添加的添加剂,加入这种添加剂处理后的铜箔粗化层晶粒小而密集,达到微晶效果。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种甚低轮廓电解铜箔微晶粗化处理生产工艺。
本发明为解决第一个技术问题所采用的技术方案是:
一种电解铜箔表面处理用的添加剂,由硫酸亚钛、硫酸钛、钼酸盐三种组分组成。该添加剂用于添加在微晶粗化槽中,添加剂所采用的三种组分,共同配合使用,使处理后的铜箔粗化层晶粒小而密集,达到微晶效果。
其中,硫酸亚钛[Ti2(SO4)3]用于增强电解液的深镀能力,因铜箔表面存在一定的轮廓度,电镀过程中,电场一般是轮廓度高的地方强,而轮廓度低的地方弱,这样就会使轮廓度高的地方粗化晶粒数量较多较密集,而轮廓度低的地方粗化晶粒数量较少,甚至没有,导致粗化层不均匀。添加硫酸亚钛后则会改变此现象,使粗化层均匀,在轮廓峰高及峰谷均能镀上一层均匀的粗化层。本发明人通过大量的配方方案设计和试验数据分析后,确定了硫酸亚钛在粗化槽电镀液中的添加量以50~150mg/L为宜。硫酸亚钛含量过低,电解液无深镀能力;含量过高,会使粗化层晶粒数量减少,降低抗剥离强度。
硫酸钛[Ti(SO4)2]添加剂粗化槽中,用于控制晶核的形成速度,硫酸钛浓度越高,晶核形成速度越快,晶粒就越密集;但过高会形成过高的树枝状结晶,容易造成线路板蚀刻不尽,使线路板出现残铜;过低则使粗化晶粒数量过少,使铜箔剥离强度偏低。本发明人通过大量的配方方案设计和试验数据分析后,确定了硫酸钛在粗化槽电镀液中的添加量以150~250mg/L为宜。
钼酸盐添加在粗化槽的电镀液中,游离出的钼酸根(MoO4 2-)用于控制晶粒的生长速度,浓度越低,粗化晶粒越大,但浓度过低,会使粗化晶粒尺寸过大,达不到增加比表面积的作用,导致抗剥离强度偏低;浓度过高,使粗化晶粒尺寸过小,镀层不牢固,容易出现晶粒脱落现象。本发明人通过大量的配方方案设计和试验数据分析后,确定了钼酸根在粗化槽电镀液中的添加量以70~118mg/L为宜。可以游离出钼酸根的盐有钼酸钠、钼酸铵等等。
本发明还提供了一种甚低轮廓电解铜箔的表面处理工艺,该处理工艺是在现有电解铜箔生产工艺的基础上,应用本发明所述的添加剂,对其中的一些工艺参数进行了优化处理,本发明处理出来的铜箔,粗化层细密,轮廓度低,Rz值依然能保持小于或等于3μm,并且抗剥离强度能保证1.0kg/cm(18微米)以上,完全满足甚低轮廓铜箔的要求。
一种应用上述添加剂的甚低轮廓电解铜箔的表面处理工艺,按以下步骤进行:
原箔先经过含一定硫酸浓度的溶液中进行酸洗,洗掉原箔表面的氧化层、经过水洗槽进行表面清洗、进入添加有所述添加剂的微晶粗化槽电镀微晶粗化层、水洗槽清洗铜箔表面、进入固化槽将微晶粗化层电镀固定,水洗槽清洗铜箔表面、进入阻挡层电镀槽电镀异种金属作铜箔阻挡层,水洗槽清洗铜箔表面、进入防氧化槽电镀防氧化层,水洗槽清洗铜箔表面、进入硅烷偶联剂涂布槽涂布硅烷偶联剂,最后经过烘箱烘干。
进一步的,所述酸洗槽中硫酸浓度为50~150 g/L。
进一步的,由于在微晶粗化槽中加入了本发明所述的添加剂,发明人经过大量的试验设计及数据分析确定了与之相适宜的最优的铜酸浓度及温度、电流密度、极距、阳极面积、电镀时间这几种工艺参数,经过此步骤生产的电解铜箔能达到微晶效果,能完全满足甚低轮廓的要求。所述微晶粗化槽中电镀液的铜离子浓度为12~18 g/L,硫酸的浓度为100 ~140g/L,电镀时温度23~27℃;电流密度15-30A/dm2;极距2~5cm;阳极面积130~150dm2×2;电镀时间6~10s。
进一步的,所述固化槽的固化液中铜离子含量为45~85 g/L,硫酸含量为50~90 g/L。
进一步的,所述阻挡层电镀槽中电镀液中含有1.5~2.5 g/L的锌离子、0.3~0.7g/L的镍离子、65~105g/L的焦磷酸钾、≤2g/L的磷酸根,电镀液PH值为9~11,温度为25~35℃。
进一步的,所述防氧化槽的电镀液中含有1.2~1.8g/L的三氧化铬、7~17g/L的氢氧化钠、150~350mg/L的十二烷基硫酸钠,电镀液温度为25~35℃。
本发明酸洗槽的硫酸溶液使用过程中,铜含量会不断升高,硫酸含量不断减少,所以要定时添加硫酸,以保证酸的浓度,当铜含量≥50g/L时,应考虑更换酸液或将酸液中的铜提取出来。
本发明微晶粗化槽工艺指标是铜箔微晶粗化工艺的关键,其微晶效果主要受添加剂的添加量及电镀工艺影响。所以调配出合适的添加剂比例及控制合适的电镀工艺是关键研发点。
固化槽主要控制铜酸含量,必须在高铜低酸的工艺环境中进行电镀,微晶粗化槽电镀后的铜箔表面微晶粗化层才能得以适当加大,结合牢固。
阻挡层电镀槽的功能主要是保证铜箔的抗热老化性及在线路板上可以有效的防止铜离子迁移现象。要得到合适厚度的阻挡层,则要严格按工艺参数指标规定控制工艺参数。
防氧化槽的作用是电镀防氧化层,防止铜箔在储存期间发生表面氧化现象,而影响铜箔的外观质量。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
1.本发明电解铜箔表面处理所用的添加剂创新的加入了硫酸亚钛,可增强电解液的深度能力,在轮廓峰高及峰谷均能镀上一层均匀的粗化层,使生产出的甚低轮廓电解铜箔达到微晶效果。
2.本发明在表面处理的粗化槽中找出各种添加剂的添加量及合适的电镀工艺条件(铜酸含量、温度、电流密度),使处理后的18微米甚低轮廓电解铜箔可以满足以下技术指标。
项
目 |
控制范围 |
备
注 |
抗剥离强度(kg/cm) |
≥1.0kg/cm |
用FR4
PP片压板检测 |
表面粗糙度Rz值 |
≤5.1μm |
|
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解,下面结合实施例、对照案例和附图对本发明做进一步的描述。实施例仅是本发明的优选实施方式,不是对本发明的限制。
以下5个实施例及6个对照案例采用以下共同试验条件:
(1)铜箔的规格:18微米甚低轮廓铜箔。
(2)表面处理机的线速度:15m/min。
(3)各电解槽电镀电流(微晶粗化槽除外):固化槽1400A;阻挡层电镀槽560A;防氧化层电镀槽140A。
实施例1
一种甚低轮廓电解铜箔的表面处理工艺,按以下步骤进行,其工艺流程图参见图1,表面处理机示意图参见图2:
1.将卷状原箔装在表面处理机的放卷装置上,由牵引装置把铜箔由各个导辊、阴极辊、胶辊中穿过,一直到收卷装置,再将铜箔卷在收卷辊上,启动表面处理机,使铜箔保持15m/min的线速度,首先在酸洗槽用酸洗掉铜箔表面氧化层。
2.酸洗后铜箔表面残留的酸洗液在压水辊及阴极辊之间受到挤压,以除去大部分残留的酸洗液,进入水洗槽,将铜箔表面清洗干净后进入粗化槽(HP1)。
3.在粗化槽(HP1)中,铜箔与阳极板的面与面距离(极距)为3cm,电流密度为25A/dm2,铜箔在电解槽中的电镀时间为8s。微晶粗化槽中电镀液及添加剂的工艺指标如表1:
表1 微晶粗化槽工艺指标
项
目 |
控制范围 |
备注 |
Cu(g/L) |
15±2 |
|
H2SO4(g/L) |
120±20 |
|
Na2MoO4(mg/L) |
120 |
MoO4 2-浓度:94mg/L |
Ti2(SO4)3(mg/L) |
100 |
|
Ti(SO4)2(mg/L) |
200 |
|
温度(℃) |
25±2 |
|
4.粗化槽(HP1)电镀后,铜箔表面残留的电镀液在压水辊与导辊之间被挤压除去大部分,进入水洗槽,将铜箔表面清洗干净,进入固化槽(HP2)。
5.在固化槽(HP2)中,铜箔与阳极板的面与面距离为3cm,电流密度5A/dm2,铜箔在固话槽中的电镀时间为8s。固化槽中各种工艺指标如表2:
表2 固化槽工艺指标
项
目 |
控制范围 |
Cu(g/L) |
65±20 |
H2SO4(g/L) |
70±20 |
温度(℃) |
30±5 |
6.经固化槽(HP2)电镀后,铜箔表面残留的电镀液在压水辊与导辊之间被挤压除去大部分,进入水洗槽,将铜箔表面清洗干净,进入阻挡层电镀槽(TW)。
7.在阻挡层电镀槽(TW)中,铜箔与阳极板的面与面距离为5cm,电流密度4A/dm2,铜箔在电解槽槽中的电镀时间为4s。阻挡层电镀槽中各种工艺指标如表3:
表3 阻挡层电镀槽工艺指标
项
目 |
控制范围 |
Zn(g/L) |
2±0.5 |
Ni(g/L) |
0.5±0.2 |
K2P2O7(g/L) |
85±20 |
PO4 3-(g/L) |
≤2 |
PH值 |
10±1 |
温度(℃) |
30±5 |
8.经TW槽电镀后,铜箔表面残留的电镀液在压水辊与导辊之间被挤压除去大部分,进入水洗槽,将铜箔表面清洗干净,进入防氧化层电镀槽(NT)。
9.在防氧化层电镀槽(NT)中,铜箔与阳极板的面与面距离为5cm,电流密度1A/dm2,铜箔在电解槽槽中的电镀时间为4s。防氧化层电镀槽中各种工艺指标如表4:
表4 防氧化层电镀槽工艺指标
项
目 |
控制范围 |
CrO3(g/L) |
1.5±0.3 |
NaOH(g/L) |
12±5 |
十二烷基硫酸钠(mg/L) |
250±100 |
温度(℃) |
30±5 |
10.经防氧化层电镀槽(NT)电镀后,铜箔表面残留的电镀液在压水辊与导辊之间被挤压除去大部分,进入水洗槽,将铜箔表面清洗干净,进入硅烷偶联剂涂布槽(硅烷)。
11.在硅烷偶联剂涂布槽中,配制好的硅烷偶联剂均匀的喷洒在铜箔粗化面上,经压水辊与导辊之间的挤压后,多余的偶联剂被挤出。
12.进入烘箱烘干。烘干的铜箔经导辊导向收卷辊,铜箔卷成卷状,表面处理结束。
本实施例1经表面处理后的产品检测结果如下:
抗剥离强度:1.10kg/cm;粗化面粗糙度Rz值:1.73~2.02μm
粗化面SEM图像参见图3,由图3可见,产品晶粒细小,结合紧密且均匀,无较高的树枝状结晶出现。
下表为本发明的另外几个较佳实施例,除步骤3微晶粗化槽中电镀液及添加剂工艺控制指标与实施例1不同之外,其它步骤及各步骤工艺控制指标和实施例1相同。
较佳实施例2~5的抗剥离强度及粗化面粗糙度Rz值见下表:
|
实施例2 |
实施例3 |
实施例4 |
实施例5 |
抗剥离强度(kg/cm) |
1.08 |
1.05 |
1.02 |
1.11 |
粗化面粗糙度Rz值(μm) |
1.78~2.08 |
1.68~2.00 |
1.70~2.10 |
1.85~2.21 |
较佳实施例2~5粗化面SEM图像和实施例1基本相同,产品晶粒细小,结合紧密且均匀,无较高的树枝状结晶出现。
对照案例
以下6个对照实施例除步骤3微晶粗化槽中电镀液及添加剂工艺控制指标与实施例1不同之外,其它步骤及各步骤工艺控制指标和实施例1相同。
对照案例1
该实施方案采用以砷酸为添加剂的粗化工艺进行(普通电解铜箔的粗化工艺),电镀工艺指标如下:
项目 |
控制范围 |
Cu(g/L) |
22±4 |
H2SO4(g/L) |
110±20 |
砷酸(mg/L) |
200~300 |
温度(℃) |
25±2 |
电流密度(A/dm2) |
20 |
经表面处理后的产品检测结果如下:
抗剥离强度:0.88kg/cm;粗化面粗糙度Rz值:2.37~3.01μm。
粗化面SEM图像如图4所示,由图4看出,所得产品粗化层单个晶粒粗大,表面圆滑,不稳固,容易脱落。与基材压合后,由于表面光滑晶及晶粒间比较疏松,导致抗剥离强度会偏低。
另外由于使用砷酸做添加剂,砷酸是剧毒品,会带来人身伤害及环境污染。
对照案例2
粗化槽采用微晶粗化工艺,工艺控制指标如下:
项目 |
控制范围 |
备注 |
Cu(g/L) |
22±4 |
|
H2SO4(g/L) |
110±20 |
|
Na 2MoO4(mg/L)
|
30
|
MoO 4 2-浓度:23.5 mg/L
|
Ti2(SO4)3(mg/L) |
100 |
|
Ti(SO4)2(mg/L) |
200 |
|
温度(℃) |
25±2 |
|
电流密度(A/dm2) |
20 |
|
本对照案例所添加的MoO4 2-浓度(23.5 mg/L)低于本发明添加剂的MoO4 2-浓度。
经表面处理后的产品检测结果如下:
抗剥离强度:0.92kg/cm;粗化面粗糙度Rz值:2.11~2.86μm。
粗化面SEM图像见图5,如图5所示,晶粒相对“对照案例1”有大幅度的变小,从其外观观察,树枝状晶粒稍有偏高,晶粒间结合相对紧密,但仍然能看出有点疏松。
由本对照案例可见,过低的MoO4 2-浓度会造成粗化晶粒尺寸过大,达不到增加比表面积的作用,导致抗剥离强度偏低。
对照案例3
粗化槽采用微晶粗化工艺,工艺控制指标如下:
项目 |
控制范围 |
备注 |
Cu(g/L) |
15±2 |
|
H2SO4(g/L) |
120±20 |
|
Na 2MoO4(mg/L)
|
60
|
MoO 4 2-浓度:47.03 mg/L
|
Ti 2(SO4)3(mg/L)
|
20
|
|
Ti(SO4)2(mg/L) |
200 |
|
温度(℃) |
25±2 |
|
电流密度(A/dm2) |
25 |
|
本对照案例所添加的Ti2(SO4)3浓度(20 mg/L)低于本发明添加剂的较佳Ti2(SO4)3浓度;MoO4 2-浓度也低于本发明添加剂的较佳MoO4 2-浓度。
经表面处理后的产品检测结果如下:
抗剥离强度:1.10kg/cm;粗化面粗糙度Rz值:2.01~2.87μm。
粗化面SEM图像参见图6,如图6所示,晶粒相对“对照案例2”有变小,从其外观观察,树枝状晶粒比较高,晶粒间结合相对紧密,但轮廓度低的地方晶粒数量较少,粗化层不均匀。
对照案例4
粗化槽采用微晶粗化工艺,工艺控制指标如下:
项目 |
控制范围 |
备注 |
Cu(g/L) |
15±2 |
|
H2SO4(g/L) |
120±20 |
|
Na2 MoO4(mg/L) |
120 |
MoO 4 2-浓度:94mg/L
|
Ti 2(SO4)3(mg/L)
|
50
|
|
Ti(SO4)2(mg/L) |
200 |
|
温度(℃) |
25±2 |
|
电流密度(A/dm2) |
20 |
|
本对照案例所添加的Ti2(SO4)3浓度(50 mg/L)比对照案例3稍高,但是是本发明添加剂的Ti2(SO4)3浓度的下限值。
经表面处理后的产品检测结果如下:
抗剥离强度:1.05kg/cm;粗化面粗糙度Rz值:2.10~2.70μm。
粗化面SEM图像参见图7,如图7所示,晶粒间结合相对紧密,无较高的树枝状结晶出现。但轮廓度低的地方晶粒数量仍然偏少,粗化层不均匀。
对照案例5
粗化槽采用微晶粗化工艺,工艺控制指标如下:
项目 |
控制范围 |
Cu(g/L) |
15±2 |
H2SO4(g/L) |
120±20 |
Na2MoO4(mg/L) |
120 |
Ti2(SO4)3(mg/L) |
100 |
Ti(SO 4)2(mg/L)
|
120
|
温度(℃) |
25±2 |
电流密度(A/dm2) |
15 |
本对照案例中硫酸钛的浓度小于本发明添加剂的最佳硫酸钛浓度。
经表面处理后的产品检测结果如下:
抗剥离强度:1.02kg/cm;粗化面粗糙度Rz值:1.59~1.85μm。
粗化面SEM图像如图8,如图8所示,晶粒细小,结合紧密且均匀,但粗化晶粒稍有偏小。
由本实施例可见,过低的硫酸钛浓度使粗化晶粒数量偏少,使铜箔剥离强度偏低。
对照案例6
粗化槽采用微晶粗化工艺,但不添加Ti2(SO4)3。
经表面处理后的产品检测结果如下:
抗剥离强度:1.16kg/cm;粗化面粗糙度Rz值:2.43~2.98μm。
粗化面SEM图像参见图9。由图9可见,因未添加硫酸亚钛,导致深度能力大幅度下降,峰谷基本无法生长粗化晶粒,而电场也集中在峰高处,使峰高粗化晶粒数量较多,且偏大,导致粗化层晶粒不均匀,虽然抗剥离强度有所偏高,但粗糙度也随之加大,不符合甚低轮廓铜箔的技术指标要求。可见,硫酸亚钛是本发明生产甚低轮廓电解铜箔进行粗化处理所需添加剂中的必需物质,如果没有硫酸亚钛,则得不到微晶效果的电解铜箔。
下表是本发明较佳实施例1与三个国外处理的甚低轮廓铜箔样品比较:
国外样品1~3粗化面SEM图分别参见图10~12。
从上述的检测结果及图10~12可以看出,经本发明处理后的甚低轮廓铜箔粗化层晶粒与国外样品2、3较为接近,并且抗剥离强度比较高,说明本发明处理出来的铜箔内在性能能与国外产品相媲美,甚至某些指标已超出国外产品。